(57)【要約】  生物検体の少なくとも存在をモニタリングするためのシステムである。当該システムは、皮膚接触面を有する基板と、皮膚接触面から外部に向かって突出するマイクロニードルと、マイクロニードル内に位置する検知複合体と、基板に取り付けられた回路とを具備する。検知複合体は、ナノ構造体と親和性部分とを備え、ナノ構造体は、そこに共有結合した官能性部分によって修飾されており、親和性部分は、前記生物検体と特異的に反応して反応生成物を生成するのに有効な部分である。回路は、ナノ構造体に電圧を印加し、反応生成物と官能性部分との反応に対応したナノ構造体の電気特性の変化をモニタリングすることができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
生物検体の少なくとも存在をモニタリングするためのシステムであって、
皮膚接触面を有する基板と、前記皮膚接触面から外部に向かって突出するマイクロニードルと、前記マイクロニードル内に位置する検知複合体と、前記基板に取り付けられた回路とを具備し、
前記検知複合体が、ナノ構造体と親和性部分とを備え、前記ナノ構造体は、そこに共有結合した官能性部分によって修飾されており、前記親和性部分は、前記生物検体と特異的に反応して反応生成物を生成するのに有効な部分であり、
前記回路が、前記ナノ構造体に電圧を印加し、前記反応生成物と前記官能性部分との反応に対応した前記ナノ構造体の電気特性の変化をモニタリングするように構成されている、システム。
【請求項２】
前記ナノ構造体が半導体ナノ構造体を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記ナノ構造体が導電性ナノ構造体を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記ナノ構造体がカーボンナノチューブを備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記親和性部分が前記ナノ構造体に固定化されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記親和性部分が前記ナノ構造体に固定化されている、請求項２〜４のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項７】
前記親和性部分が、前記マイクロニードル内の、前記ナノ構造体以外の媒体に固定化されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記親和性部分が、前記マイクロニードル内の、前記ナノ構造体以外の媒体に固定化されている、請求項２〜４のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項９】
前記媒体がヒドロゲルである、請求項７に記載のシステム。
【請求項１０】
前記媒体がヒドロゲルである、請求項８に記載のシステム。
【請求項１１】
前記親和性部分が、前記マイクロニードルの一体壁に固定化されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記親和性部分が、前記マイクロニードルの一体壁に固定化されている、請求項２〜４のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１３】
前記皮膚接触面が、被験体の皮膚に対して付着性である、請求項１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記皮膚接触面が、被験体の皮膚に対して付着性である、請求項２〜１１のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１５】
前記基板に取り付けられた、または前記基板と一体化したアクチュエーターを有する、薬物送達システムと、
前記結合に関する信号を前記回路から受信し、前記アクチュエーターを作動させて、前記信号に応答するチャネルを介して薬物を送達するように構成されたコントローラと
をさらに具備する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１６】
前記基板に取り付けられた、または前記基板と一体化したアクチュエーターを有する、薬物送達システムと、
前記結合に関する信号を前記回路から受信し、前記アクチュエーターを作動させて、前記信号に応答するチャネルを介して薬物を送達するように構成されたコントローラと
をさらに具備する、請求項２〜１３のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１７】
前記チャネルが、前記マイクロニードル内にある、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１８】
前記チャネルが、前記マイクロニードル内にある、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１９】
前記チャネルが、前記基板から外部に向かって突出する追加のマイクロニードル内にある、請求項１５に記載のシステム。
【請求項２０】
前記チャネルが、前記基板から外部に向かって突出する追加のマイクロニードル内にある、請求項１６に記載のシステム。
【請求項２１】
前記検知複合体がトランジスタを備え、前記ナノ構造体が、前記トランジスタ内の電荷担体チャネルである、請求項１に記載のシステム。
【請求項２２】
前記検知複合体がトランジスタを備え、前記ナノ構造体が、前記トランジスタ内の電荷担体チャネルである、請求項２〜１９のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項２３】
前記回路が、前記トランジスタのゲートにゲート電圧を印加するように構成されている、請求項２１に記載のシステム。
【請求項２４】
前記回路が、前記トランジスタのゲートにゲート電圧を印加するように構成されている、請求項２２に記載のシステム。
【請求項２５】
前記反応生成物が酸化還元反応種を含み、前記反応生成物と前記官能性部分との前記反応が酸化還元反応であり、前記回路が、前記酸化還元反応を逆転させるように前記ゲート電圧を制御するように構成されている、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２６】
前記反応生成物が酸化還元反応種を含み、前記反応生成物と前記官能性部分との前記反応が酸化還元反応であり、前記回路が、前記酸化還元反応を逆転させるように前記ゲート電圧を制御するように構成されている、請求項２４に記載のシステム。
【請求項２７】
前記皮膚接触面から外部に突出し、較正ナノ構造体を有する較正複合体を内部に有する較正マイクロニードルをさらに具備し、前記較正ナノ構造体は、そこに共有結合した官能性部分によって修飾されているが、前記親和性部分を有さないものであり、
前記回路が、前記較正ナノ構造体に電圧を印加し、前記ナノ構造体の前記電気特性の前記変化から前記較正ナノ構造体の電気特性の変化を差し引くように構成されている、
請求項１に記載のシステム。
【請求項２８】
前記皮膚接触面から外部に突出し、較正ナノ構造体を有する較正複合体を内部に有する較正マイクロニードルをさらに具備し、前記較正ナノ構造体は、そこに共有結合した官能性部分によって修飾されているが、前記親和性部分を有さないものであり、
前記回路が、前記較正ナノ構造体に電圧を印加し、前記ナノ構造体の前記電気特性の前記変化から前記較正ナノ構造体の電気特性の変化を差し引くように構成されている、
請求項２〜２５のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項２９】
前記較正複合体が非検知部分を備える、請求項２７に記載のシステム。
【請求項３０】
前記較正複合体が非検知部分を備える、請求項２８に記載のシステム。
【請求項３１】
生物検体の少なくとも存在をモニタリングする方法であって、
検知複合体を内部に有するマイクロニードルを、被験体の皮膚中に導入する工程であって、前記検知複合体が、ナノ構造体と親和性部分とを備え、前記ナノ構造体は、そこに共有結合した官能性部分によって修飾されており、前記親和性部分は、前記生物検体と特異的に反応して反応生成物を生成するのに有効な部分である工程と、
前記ナノ構造体に電圧を印加する工程と、
前記反応生成物と前記官能性部分との反応に対応した前記ナノ構造体の電気特性の変化をモニタリングする工程と
を含む、方法。
【請求項３２】
前記導入が、前記皮膚と基板の皮膚接触面との接触を確立することを含み、前記マイクロニードルが前記皮膚接触面から外部に向かって突出する、請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
前記モニタリングに応答するチャネルを介し、前記皮膚を通じて薬物を送達することをさらに含む、請求項３１または３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記チャネルが前記マイクロニードル内にある、請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記チャネルが追加のマイクロニードル内にあり、前記追加のマイクロニードルも導入する工程を含む、請求項３３に記載の方法。
【請求項３６】
前記検知複合体がトランジスタを備え、前記ナノ構造体が、前記トランジスタ内の電荷担体チャネルである、請求項３１に記載の方法。
【請求項３７】
前記検知複合体がトランジスタを備え、前記ナノ構造体が、前記トランジスタ内の電荷担体チャネルである、請求項３２〜３５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３８】
前記トランジスタのゲートにゲート電圧を印加する工程を含む、請求項３６に記載の方法。
【請求項３９】
前記トランジスタのゲートにゲート電圧を印加する工程を含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項４０】
前記反応生成物が酸化還元反応種を含み、前記反応生成物と前記官能性部分との前記反応が酸化還元反応であり、前記酸化還元反応を逆転させるように前記ゲート電圧を制御する工程を含む、請求項３８に記載の方法。
【請求項４１】
前記反応生成物が酸化還元反応種を含み、前記反応生成物と前記官能性部分との前記反応が酸化還元反応であり、前記酸化還元反応を逆転させるように前記ゲート電圧を制御する工程を含む、請求項３９に記載の方法。
【請求項４２】
前記皮膚接触面から外部に突出し、較正ナノ構造体を有する較正複合体を内部に有する較正マイクロニードルであって、前記較正ナノ構造体は、そこに共有結合した官能性部分によって修飾されているが、前記親和性部分を有さない較正マイクロニードルを、被験体の皮膚中に導入する工程と、
前記較正ナノ構造体に電圧を印加する工程と、
前記ナノ構造体の前記電気特性の前記変化から前記較正ナノ構造体の電気特性の変化を差し引く工程と
をさらに含む、請求項３１に記載の方法。
【請求項４３】
前記皮膚接触面から外部に突出し、較正ナノ構造体を有する較正複合体を内部に有する較正マイクロニードルであって、前記較正ナノ構造体は、そこに共有結合した官能性部分によって修飾されているが、前記親和性部分を有さない較正マイクロニードルを、被験体の皮膚中に導入する工程と、
前記較正ナノ構造体に電圧を印加する工程と、
前記ナノ構造体の前記電気特性の前記変化から前記較正ナノ構造体の電気特性の変化を差し引く工程と
をさらに含む、請求項３２〜４０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４４】
前記較正複合体が非検知部分を備える、請求項４２に記載の方法。
【請求項４５】
前記較正複合体が非検知部分を備える、請求項４３に記載の方法。
【請求項４６】
前記官能性部分が酸化還元反応性部分である、請求項１に記載のシステムまたは方法。
【請求項４７】
前記官能性部分が酸化還元反応性部分である、請求項２〜４０のいずれか一項に記載のシステムまたは方法。
【請求項４８】
前記官能性部分が、酸化数または酸化状態の可逆的な変化を起こしうる原子を少なくとも１つ有する官能基を少なくとも１つ含む、請求項１に記載のシステムまたは方法。
【請求項４９】
前記官能性部分が、酸化数または酸化状態の可逆的な変化を起こしうる原子を少なくとも１つ有する官能基を少なくとも１つ含む、請求項２〜４６のいずれか一項に記載のシステムまたは方法。
【請求項５０】
前記官能性部分がキノンを含む、請求項１に記載のシステムまたは方法。
【請求項５１】
前記官能性部分がキノンを含む、請求項２〜４８のいずれか一項に記載のシステムまたは方法。
【請求項５２】
前記官能性部分が芳香族キノンを含む、請求項１〜５０のいずれか一項に記載のシステムまたは方法。
【請求項５３】
前記官能性部分が芳香族キノンを含む、請求項２〜５０のいずれか一項に記載のシステムまたは方法。
【請求項５４】
前記官能性部分が、置換または非置換の、キノン、ベンゾキノン、アンフラキノン、およびフェナントレンキノンからなる群から選択される官能基を含む、請求項１〜５２のいずれか一項に記載のシステムまたは方法。
【請求項５５】
前記官能性部分が、置換または非置換の、キノン、ベンゾキノン、アンフラキノン、およびフェナントレンキノンからなる群から選択される官能基を含む、請求項２〜５２のいずれか一項に記載のシステムまたは方法。
【請求項５６】
前記親和性部分が酵素を含む、請求項１に記載のシステムまたは方法。
【請求項５７】
前記親和性部分が酵素を含む、請求項２〜５４のいずれか一項に記載のシステムまたは方法。
【請求項５８】
前記親和性部分が酸化還元酵素を含む、請求項１に記載のシステムまたは方法。
【請求項５９】
前記親和性部分が酸化還元酵素を含む、請求項２〜５４のいずれか一項に記載のシステムまたは方法。
【請求項６０】
前記親和性部分がグルコースオキシダーゼを含む、請求項１に記載のシステムまたは方法。
【請求項６１】
前記親和性部分がグルコースオキシダーゼを含む、請求項２〜５４のいずれか一項に記載のシステムまたは方法。
【請求項６２】
前記親和性部分が免疫原性部分を含む、請求項１に記載のシステムまたは方法。
【請求項６３】
前記親和性部分が免疫原性部分を含む、請求項２〜５４のいずれか一項に記載のシステムまたは方法。
【請求項６４】
前記免疫原性部分が抗体またはその断片を含む、請求項１に記載のシステムまたは方法。
【請求項６５】
前記免疫原性部分が抗体またはその断片を含む、請求項２〜５４のいずれか一項に記載のシステムまたは方法。
【請求項６６】
前記免疫原性部分が抗原を含み、前記生物検体が前記抗原に対する抗体を含む、請求項１に記載のシステムまたは方法。
【請求項６７】
前記免疫原性部分が抗原を含み、前記生物検体が前記抗原に対する抗体を含む、請求項２〜５４のいずれか一項に記載のシステムまたは方法。
【請求項６８】
前記親和性部分がリガンドを含み、前記生物検体が受容体を含む、請求項１に記載のシステムまたは方法。
【請求項６９】
前記親和性部分がリガンドを含み、前記生物検体が受容体を含む、請求項２〜５４のいずれか一項に記載のシステムまたは方法。
【請求項７０】
前記親和性部分が、前記生物検体と特異的に結合して前記反応生成物を生成するのに有効である、請求項１に記載のシステムまたは方法。
【請求項７１】
前記親和性部分が、前記生物検体と特異的に結合して前記反応生成物を生成するのに有効である、請求項２〜６８のいずれか一項に記載のシステムまたは方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本出願は、２０１６年８月２２日に出願した米国特許仮出願第６２／３７７，７７６号の優先権を主張する、発明の名称：「生物検体の検出のための方法およびシステム」（代理人整理番号：７０７９０）という国際特許出願と同時の出願である。これら特許出願の内容の全てが、本参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本出願は、２０１６年８月２２日に出願した、米国特許仮出願第６２／３７７，７７５号の優先権を主張するものであり、その内容の全てが、本参照により本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００３】
本発明のいくつかの実施形態は検知に関し、より詳細には、これらに限定されるものではないが、例えば、代謝活性の皮下検知のためのシステムおよび方法に関する。
【０００４】
代謝は、エネルギーを生成または消費する、生体における全体的な生化学的プロセスと定義される。代謝プロセスは、細胞の増殖および死、細胞による構造の再編成、および細胞の環境に対する応答を調節する。異常な代謝反応は、正常な生理機能を妨げて重篤な組織不全をもたらし、多くの疾病に関連する。
【０００５】
糖尿病は、膵臓のインスリン産生の不全または身体がインスリンを使用できないことのいずれかによって生じる、広く見られる疾病である。糖尿病と診断された患者は、長年に亘って、失明、四肢の損失、心不全および他の多くの合併症に苦しむ可能性がある。この疾病には「治癒」は存在せず、処置するのみであると認識されており、血糖値を変化させるためのインスリン注射を用いることが最も一般的である。
【０００６】
通常の生活習慣を維持するために、糖尿病患者は自身の血糖値を毎日、それも多くの場合１時間ごとに、注意深く継続してモニタリングしなければならない。例えば、血糖値は、認知機能の維持および決定に際して極めて重要である。脳に関しては、脳における血糖値は、記憶力、覚醒および注意力に作用し、影響を与える。したがって、血糖値の増減による認知機能への影響は、糖尿病に苦しむ個体など、グルコース調節能力に乏しい被験体にとってより深刻である。高血糖症とは、血糖が高すぎる状態を指し、高血糖症の被験体は昏睡に陥る危険性がある。低血糖症とは、血糖が低すぎる状態を指し、低血糖症の被験体は、血管、目、腎臓、神経等において組織の損傷が進行する危険性がある。
【０００７】
糖尿病の管理およびインスリン療法を成功させる際に最も重要なことは、血糖値を継続的にモニタリングする必要性である。歴史的には、１日に３〜４回の指穿刺を要する血糖検査を繰り返すことで、これを実現してきた。この治療計画を行う最も大きな理由は、次の検査または注射までに血糖値が変動して不安定となり、このような変動および不安定が、組織および器官を損傷するリスクが大幅に増大することによる。グルコースを測定するための確立された方法では、血液の試料を使い捨ての試験紙に滲ませ、計測器を利用してこの試験紙を読み取り、定量的な血糖濃度を報告する。次いで、インスリンの適切な用量を計算し、測定し、皮下注射針によって投与する。
【０００８】
米国特許出願公開第２００２／００８２５４３号は、生物学的障壁を越えて、またはその中に、分子またはエネルギーを輸送するためのデバイスを開示する。このデバイスは、１つ以上のマイクロニードルを具備し、各マイクロニードルが２つの材料から形成されている。材料のうちの一方は他方の材料の一部分の中に分散しているか、またはマイクロニードルの一部分を形成している。
【０００９】
国際公開第２０１２／１３７２０７号は、細胞の代謝活性を測定するために、細胞外環境における、非揮発性の可溶代謝産物、非揮発性の可溶代謝産物と揮発性の可溶代謝産物、および揮発性の可溶代謝産物のそれぞれの分泌による時間依存性の酸性化プロファイルを別々に測定する方法を開示しており、またそういった方法を病気の診断および治療のモニタリングに使用している。
【００１０】
国際公開第２０１５／０５９７０４号は、検知コンパートメントと制御可能に流体連通しているチャンバを有するシステムを記載している。チャンバは流体を収容し、検知コンパートメントは半導体ナノ構造体と、ナノ構造体に共有結合した官能性部分とを含む。官能性部分は、酸化還元反応剤との接触によって、ナノ構造体の電気特性の検出可能な変化を生じるものである。
【発明の概要】
【００１１】
本発明の一部の実施形態の一態様によれば、生物検体の少なくとも存在をモニタリングするためのシステムが提供される。当該システムは、皮膚接触面を有する基板と、皮膚接触面から外部に向かって突出するマイクロニードルと、マイクロニードル内に位置する検知複合体と、基板に取り付けられた回路とを具備する。本発明の一部の実施形態によれば、検知複合体は、ナノ構造体と親和性部分とを備え、ナノ構造体は、そこに共有結合した官能性部分によって修飾されており、親和性部分は、生物検体と特異的に反応して反応生成物を生成するのに有効な部分である。本発明の一部の実施形態によれば、回路は、ナノ構造体に電圧を印加し、反応生成物と官能性部分との反応に対応したナノ構造体の電気特性の変化をモニタリングするように構成されている。
【００１２】
本発明の一部の実施形態によれば、ナノ構造体は半導体ナノ構造体を備える。
【００１３】
本発明の一部の実施形態によれば、ナノ構造体は導電性ナノ構造体を備える。本発明の一部の実施形態によれば、ナノ構造体はカーボンナノチューブを備える。
【００１４】
本発明の一部の実施形態によれば、親和性部分はナノ構造体に固定化されている。
【００１５】
本発明の一部の実施形態によれば、親和性部分は、マイクロニードル内の、ナノ構造体以外の媒体に固定化されている。
【００１６】
本発明の一部の実施形態によれば、媒体はヒドロゲルである。
【００１７】
本発明の一部の実施形態によれば、親和性部分はマイクロニードルの一体壁（integral wall）に固定化されている。
【００１８】
本発明の一部の実施形態によれば、皮膚接触面は被験体の皮膚に対して付着性である。
【００１９】
本発明の一部の実施形態によれば、システムは、基板に取り付けられた、または基板と一体化したアクチュエーターを有する薬物送達システムと、結合に関する信号を回路から受信し、アクチュエーターを作動させて、信号に応答するチャネルを介して薬物を送達するように構成されたコントローラとをさらに具備する。
【００２０】
本発明の一部の実施形態によれば、チャネルは、基板から外部に向かって突出する追加のマイクロニードル内にある。
【００２１】
本発明の一部の実施形態によれば、検知複合体はトランジスタを備え、ナノ構造体は、トランジスタ内の電荷担体チャネルである。本発明の一部の実施形態によれば、回路は、トランジスタのゲートにゲート電圧を印加するように構成されている。
【００２２】
本発明の一部の実施形態によれば、反応生成物は酸化還元反応種を含み、反応生成物と官能性部分との反応が酸化還元反応であり、回路は、酸化還元反応を逆転させるようにゲート電圧を制御するように構成されている。
【００２３】
本発明の一部の実施形態によれば、システムは、皮膚接触面から外部に突出し、較正ナノ構造体を有する較正複合体を内部に有する較正マイクロニードルをさらに具備し、較正ナノ構造体は、そこに共有結合した官能性部分によって修飾されているが、親和性部分を有さないものである。さらに回路は、較正ナノ構造体に電圧を印加し、ナノ構造体の電気特性の変化から較正ナノ構造体の電気特性の変化を差し引くように構成されている。
【００２４】
本発明の一部の実施形態の一態様によれば、生物検体の少なくとも存在をモニタリングする方法が提供される。当該方法は、検知複合体を内部に有するマイクロニードルを、被験体の皮膚中に導入する工程であって、検知複合体が、ナノ構造体と親和性部分とを備え、ナノ構造体は、そこに共有結合した官能性部分によって修飾されており、親和性部分は、生物検体と特異的に反応して反応生成物を生成するのに有効な部分である工程と、ナノ構造体に電圧を印加する工程と、反応生成物と官能性部分との反応に対応したナノ構造体の電気特性の変化をモニタリングする工程とを含む。
【００２５】
本発明の一部の実施形態によれば、導入は、皮膚と基板の皮膚接触面との接触を確立することを含み、マイクロニードルは皮膚接触面から外部に向かって突出する。
【００２６】
本発明の一部の実施形態によれば、当該方法は、モニタリングに応答するチャネルを介し、皮膚を通じて薬物を送達することをさらに含む。本発明の一部の実施形態によれば、チャネルはマイクロニードル内にある。本発明の一部の実施形態によれば、チャネルは追加のマイクロニードル内にあり、追加のマイクロニードルも導入する工程を含む。
【００２７】
本発明の一部の実施形態によれば、検知複合体はトランジスタを備え、ナノ構造体は、トランジスタ内の電荷担体チャネルである。本発明の一部の実施形態によれば、当該方法は、トランジスタのゲートにゲート電圧を印加することを含む。
【００２８】
本発明の一部の実施形態によれば、反応生成物が酸化還元反応種を含み、反応生成物と官能性部分との反応が酸化還元反応である。当該方法は、酸化還元反応を逆転させるようにゲート電圧を制御する工程を含む。
【００２９】
本発明の一部の実施形態によれば、当該方法は、皮膚接触面から外部に突出し、較正ナノ構造体を有する較正複合体を内部に有する較正マイクロニードルであって、較正ナノ構造体は、そこに共有結合した官能性部分によって修飾されているが、親和性部分を有さない較正マイクロニードルを、被験体の皮膚中に導入する工程と、較正ナノ構造体に電圧を印加する工程と、ナノ構造体の電気特性の変化から較正ナノ構造体の電気特性の変化を差し引く工程とをさらに含む。本発明の一部の実施形態によれば、較正複合体は非検知部分を備える。
【００３０】
本発明の一部の実施形態によれば、官能性部分は酸化還元反応性部分である。
【００３１】
本発明の一部の実施形態によれば、官能性部分は酸化数または酸化状態が可逆的に変化しうる原子を少なくとも１つ有する官能基を少なくとも１つ含む。
【００３２】
本発明の一部の実施形態によれば、官能性部分はキノンを含む。本発明の一部の実施形態によれば、官能性部分は芳香族キノンを含む。
【００３３】
本発明の一部の実施形態によれば、官能性部分は、置換または非置換の、キノン、ベンゾキノン、アントラキノン、およびフェナントレンキノンからなる群から選択される官能基であるか、またはこれを含む。
【００３４】
本発明の一部の実施形態によれば、親和性部分は酵素を含む。
【００３５】
本発明の一部の実施形態によれば、親和性部分は酸化還元酵素を含む。
【００３６】
本発明の一部の実施形態によれば、親和性部分はグルコースオキシダーゼを含む。
【００３７】
本発明の一部の実施形態によれば、親和性部分は免疫原性部分を含む。
【００３８】
本発明の一部の実施形態によれば、免疫原性部分は抗体またはその断片を含む。
【００３９】
本発明の一部の実施形態によれば、免疫原性部分は抗原を含み、生物検体は抗原に対する抗体を含む。
【００４０】
本発明の一部の実施形態によれば、親和性部分はリガンドを含み、生物検体は受容体を含む。
【００４１】
本発明の一部の実施形態によれば、親和性部分は、生物検体と特異的に結合して反応生成物を生成するのに有効である。
【００４２】
特に定義しない限り、本明細書で使用するすべての技術および／または科学用語は、本発明が属する技術分野の当業者により通常理解されるものと同じ意味を有する。本明細書に記載のものと同様のまたは等価な方法および材料を、本発明の実施形態の実践または試験に使用することができるが、例示的な方法および／または材料が下記に記載されている。矛盾する場合、定義を含む特許明細書が優先する。加えて、材料、方法、および実施例は単なる例示であり、必ずしも限定を意図するものではない。
【００４３】
本発明の実施形態の方法および／またはシステムの実施は、選択されたタスクを手動、自動、またはそれらの組合せで実行または完了することを含み得る。さらに、本発明の方法および／またはシステムの実施形態の実際の器具類および設備によれば、いくつかの選択されたタスクは、ハードウェア、ソフトウエア、もしくはファームウェア、または、オペレーティングシステム、またはそれらの組合せを使用して実施され得る。
【００４４】
例えば、本発明の実施形態において選択されたタスクを実行するためのハードウェアは、チップまたは回路として提供してもよい。ソフトウエアとしては、本発明の実施形態において選択されたタスクを、任意の好適なオペレーティングシステムを使用して、コンピュータにより実行される複数のソフトウエア命令として提供してもよい。本発明の例示的な実施形態においては、本明細書に記載の方法および／またはシステムの例示的な実施形態による１つ以上のタスクは、複数の命令を実行するための計算プラットフォーム等のデータプロセッサにより実行される。データプロセッサは、命令および／またはデータを格納する揮発性メモリ、ならびに／もしくは、命令および／またはデータを格納する不揮発性記憶装置、例えば磁気ハードディスクおよび／またはリムーバブルメディアを含んでもよい。ネットワーク接続が提供されてもよい。ディスプレイおよび／またはキーボードもしくはマウス等のユーザ入力装置が提供されてもよい。
【００４５】
本発明のいくつかの実施形態について、その例示のみを目的として添付の図面を参照して本明細書に記載する。以下、特に図面を詳細に参照して示される事項（particulars）は、例示を目的とし、また本発明の実施形態の詳細な説明を目的とすることを強調する。同様に、図面と共に示す説明は、本発明の実施形態をどのように実践し得るかを当業者に明らかにする。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】図１Ａ〜Ｄは、本発明の一部の実施形態に係る、生物検体の存在、不在またはレベルをモニタリングするためのシステムの概略図である。
【図２】図２は、本発明の一部の実施形態に係る実験において得られた、ＦＥＴによるグルコースの連続モニタリングの結果を示す図である。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明の一部の実施形態に基づき作製された、シリコンナノワイヤＦＥＴシステムの画像である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、本発明の一部の実施形態に係るシリコンナノワイヤＦＥＴシステムの作製に適した工程の概略図である。
【図４】図４は、本発明の一部の実施形態に係るシリコンナノワイヤＦＥＴシステムの修飾に適した工程の概略図である。
【図５】図５は、本発明の一部の実施形態に基づき作製された、ＧＯｘ含浸ヒドロゲルフィルムが取り付けられた、本発明の一部の実施形態に係るシリコンナノワイヤＦＥＴシステムデバイスのソース電極およびドレイン電極の、走査電子顕微鏡像および表面形状測定装置深度を示す図（挿入図）である。
【発明を実施するための形態】
【００４７】
本発明のいくつかの実施形態は検知に関し、より詳細には、これらに限定されるものではないが、例えば、代謝活性の皮下検知のためのシステムおよび方法に関する。
【００４８】
本発明の少なくとも１つの実施形態を詳細に説明する前に、本発明は、必ずしもその用途が、以下の記載によって提供される説明、ならびに／あるいは図面および／または実施例で示される具体例によって明示されるような詳細な構成および要素や方法の組み立てに限定されるものではないことを理解するべきである。本発明は、他の実施形態が可能であり、また、様々な方法で実践もしくは遂行することが可能である。
【００４９】
本発明者らは、皮膚接触面を有する基板と、皮膚接触面から外部に向かって突出するマイクロニードルと、マイクロニードル内に位置する検知複合体と、基板に取り付けられた回路とを具備する、一体化されたマイクロ流体検知システムを考え、当該システムの調製および実践に成功した。本発明者らは、被験体の身体中における様々な生物検体のリアルタイムモニタリングにそのようなシステムを使用することができることを示した。当該システムは薬物送達システムも具備することができるため、化合物の被験体への投与に利用することができる。かかる投与は、モニタリングを伴う閉ループ制御下で行うことができる。例えば、通常であれば血糖値を制御するために頻回注射を必要とする糖尿病の被験体に対し、当該システムは、グルコースレベルのモニタリングおよび制御された速度によるインスリンの送達に使用することができる。
【００５０】
ここで図面を参照すると、図１Ａ〜Ｄは、本発明の一部の実施形態に係る、生物検体の存在、不在またはレベルをモニタリングするためのシステム１０の概略図である。システム１０は、被験体（ヒトまたは動物）の皮膚３０を接触させるための皮膚接触面１４を有する基板１２と、皮膚接触面１４から外部に向かって突出する、１つ以上の検知マイクロニードル１６とを具備することが好ましい。システム１０はまた、検知マイクロニードル１６中に位置する１つ以上の検知複合体１８と、基板１２に取り付けられた回路２０とを具備する。所望により、しかし必ずしもそうでなくともよいが、回路２０はマイクロニードル１６に対して基板１２の反対側にある。
【００５１】
システム１０のマイクロニードルはいかなる形状でもよく、例えば、円錐形、円柱形、管状形およびピラミッド形であるが、これらに限定されない。鉤状のマイクロニードルもまた想定内である。マイクロニードルは直線状であることが好ましいが、非直線形状（例えば、曲線状のマイクロニードル、鉤状のマイクロニードル、または半鉤状のマイクロニードル）もまた想定内である。マイクロニードルは表面１４から垂直に突出していてもよいし、または表面１４から鋭角に突出していてもよい。典型的には、マイクロニードルは、基板１２に取り付けられたまたは基板１２と一体化した基部２２と、基部２２から延在する貫通部分２４とを有する。貫通部分２４は先端２６を有し、所望により、基部２２から遠位に先細の先端を有することが好ましい。
【００５２】
マイクロニードルは中空であるか、またはそこに埋め込まれたマイクロチャネルが設けられており、且つマイクロニードルが流体をマイクロニードルの外の媒体と交換できるようにするための、少なくとも１つの開口を含むことが好ましい。
【００５３】
図１Ｂは、その本体の長手方向に延在するマイクロチャネル２８を有する検知マイクロニードル１６の一部分を示す、拡大概略図である。
【００５４】
本明細書で使用する「マイクロチャネル」という用語は、断面寸法が最大でも１ｍｍ未満、より好ましくは５００μｍ未満、より好ましくは４００μｍ未満、より好ましくは３００μｍ未満、より好ましくは２００μｍ未満、例えば１００μｍ以下である、流体チャネルを指す。
【００５５】
典型的には、しかし必ずしもそうでなくともよいが、マイクロニードルは先端２６に開口を有する。マイクロニードル１６またはその一部分は、所望により、そして好ましくは、多孔質とすることができる。あるいは、マイクロニードルは、その本体に１つのみまたは少数の開口が形成された、非多孔質とすることができる。マイクロニードルは、非分解性の材料から形成されていることが好ましい。基部２２の直径は、典型的には、約１μｍ〜約５００μｍである。一部の実施形態においては、バクテリアが貫通創傷に侵入するのを回避するために、（マイクロニードルの挿入および引抜き後に生じる）残存穴の大きさが約１μｍ未満となるようにマイクロニードルの直径を選択する。貫通部分２４の長さは、貫通部分２４が皮膚３０を、好ましくは角質層３２を越えて貫通できるように選択することが好ましい。好ましくは、しかし必ずしもそうでなくともよいが、貫通部分２４の長さは、先端２６が生表皮層３４中ではあるが真皮層３６中ではない場所に位置するように選択する。貫通部分２４の典型的な長さは、約０．１ｍｍ〜約０．５ｍｍ、例えば、約０．３ｍｍである。
【００５６】
システム１０のマイクロニードルは、様々な材料のいずれかから構築することが可能であり、金属、セラミック、半導体、有機物、ポリマー、および複合体が挙げられるが、これらに限定されない。好ましい構築材料には、医薬等級のステンレス鋼、金、チタン、ニッケル、鉄、スズ、クロム、銅、パラジウム、白金、これらまたは他の金属の合金、ケイ素、二酸化ケイ素、およびポリマーが含まれる。マイクロニードルは、皮膚３０中に挿入されているとき、静置されている間、および取り外されるときに、損傷しないための機械強度を有することが好ましい。マイクロニードルは、滅菌されていることが好ましい。エチレンオキシドまたはガンマ線照射を含むが、これらに限定されない、任意の滅菌手順を用いることができる。
【００５７】
本発明の一部の実施形態に従って使用する複数のマイクロニードルは、異なるマイクロニードルの組合せを含んでもよい。例えば、複数のマイクロニードルは、様々な長さ、基部部分の材料、本体部分の直径（即ち、ゲージ）、先端部分の形状、マイクロニードル間の間隔、被覆等を有するマイクロニードルを含んでもよい。
【００５８】
典型的には、基板１２を皮膚パッチの形態で提供することができる。所望により、表面１４は、基板１２を皮膚３０に貼り付けることを可能にするための付着面であることが好ましい。例えば、表面１４は皮膚用接着材を含むか、またはこれで被覆することができる。基板１２はまた、そう痒症、潮紅、発疹、疼痛、湿疹、皮膚の炎症等であるがこれらに限定されない、皮膚刺激を防止または低減するために選択された物質を含んでもよい。基板１２は可撓性であることが好ましい。例えば、基板１２は、少なくとも部分的に、織布、不織布、プラスチックフィルム等で形成されてもよい。基板は、例えばエラストマー系ポリマー基板であってもよい。好適なエラストマー系ポリマー基板材料は、一般的に、製造プロセス（ソフトリソグラフィー、ステレオリソグラフィーおよび３次元のジェット印刷等）に対する適合性に基づいて選択される。ポリマーの化学構造、前駆体、合成方法、反応条件、および可能な添加剤については、極めて多くの選択肢があることから、基板１２としての使用が想定される材料が多数存在する。エラストマー系ポリマーの代表的な例としては、これらに限定されるものではないが、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ポリイソプレン、ポリブタジエン、ポリクロロプレン、ポリイソブチレン、ポリ（スチレン−ブタジエン−スチレン）、ポリウレタンおよびシリコーンが挙げられる。一般的には非エラストマー系のポリマーも想定内である。そのようなポリマーの代表的な例としては、これらに限定されるものではないが、ＰＭＭＡおよびポリカーボネートが挙げられる。
【００５９】
皮膚パッチが２つ以上の材料から形成される実施形態も想定内である。例えば、皮膚パッチの一部分が、場合によっては皮膚用接着材で被覆されていることが好ましい、織布もしくは不織布、またはフィルムで形成され、一方で、別の一部分が、マイクロニードル１６が形成されているかまたは一体化しているマイクロ流体接触部５６として機能してもよい。マイクロ流体接触部５６は、布またはフィルムよりも剛性としてもよい。
【００６０】
基板の横方向の寸法は、表面１４を受容する被験体の器官の大きさに依存して変化してもよい。基板１２の典型的な横径は約１０ｍｍ〜約５０ｍｍであるが、これに限定されない。
【００６１】
検知複合体１８は、親和性部分と、官能性部分によって修飾されているナノ構造体とを備えることが好ましい。本発明の一部の実施形態に係る検知複合体１８の拡大概略図を図１Ｃに示す。図１Ｃには、親和性部分４８と、官能性部分４９によって修飾されたナノ構造体４０が示されている。所望により、官能性部分４９は、ナノ構造体４０に共有結合していることが好ましい。図１Ｃの代表的な図解は、ナノ構造体４０に固定化された親和性部分４８を示すが、これを限定とみなすべきではない。ただし用途によっては、親和性部分４８は、ナノ構造体４０以外の、マイクロニードル１６中の媒体１９に固定化されても、固定化されていなくてもよく（例えば、ヒドロゲルに固定）、マイクロニードル１６の一体壁１７に固定化されてもよいことから、必ずしも図１Ｃと同じでなくてもよい。親和性部分４８は、生物検体５０と特異的に反応して（例えば、結合し、）反応生成物５１を生成するのに有効であり、この反応生成物５１は、その後、官能性部分４９と反応する。本明細書において、一部の実施形態においては、親和性部分４８を「検知部分」とも称する。
【００６２】
一部の実施形態においては、親和性部分４８と生物検体５０とは親和性を有する、対を形成する構成要素であり、部分４８は、高い親和性（例えば、１０−７Ｍ未満、例えば、１０−８Ｍ未満、１０−９Ｍ未満、１０−１０Ｍ未満のＫｄ（解離定数）によって特徴付けられる）で、生物検体５０に可逆的または非可逆的に結合することが可能である。例えば、親和性を有する対は、酵素−基質対、ポリペプチド−ポリペプチド対（例えば、ホルモンと受容体、リガンドと受容体、抗体と抗原、多量体タンパク質の２本の鎖）、ポリペプチド−小分子対（例えば、アビジンまたはストレプトアビジンとビオチン、酵素−基質）、二本鎖を形成する２つのポリヌクレオチド等の、ポリヌクレオチドとその同族であるポリヌクレオチド（例えば、ＤＮＡ−ＤＮＡ、ＤＮＡ−ＲＮＡ、ＲＮＡ−ＤＮＡ）、ポリペプチド−ポリヌクレオチド対（例えば、ポリペプチドとＤＮＡまたはＲＮＡとから形成される複合体、例えば、アプタマー）、ポリペプチド−金属対（例えば、タンパク質キレート化剤と金属イオン）、ポリペプチドと炭水化物（レプチン−炭水化物）などであってもよい。
【００６３】
本発明の一部の実施形態によれば、部分４８は酵素であり、好ましくは、しかし必ずしもそうでなくともよいが、酸化還元酵素である。本実施形態に好適な酵素の代表的な例としては、これらに限定されるものではないが、グルコースオキシダーゼ、ベータ−ガラクトシダーゼ、アルカリホスファターゼ、ベータ−グルコロニダーゼ、ラクテートオキシダーゼ、ピルベートオキシダーゼが挙げられる。好ましい実施形態においては、部分４８はグルコースオキシダーゼであり、生物検体５０はグルコースである。
【００６４】
官能性部分４９は、反応生成物５１と反応することが可能な任意の部分４９とすることができ、この反応の結果として、所望により、そして好ましくは、ナノ構造体４０の電気特性の１つ以上を可逆的な様式で変えることができる。本発明の一部の実施形態に係る官能性部分４９として使用するのに好適な官能性部分の代表的な例は、国際特許出願公開第２０１５／０５９７０４号に見出され、これらの内容の全体が本参照により本明細書に組み込まれる。
【００６５】
反応生成物５１と官能性部分４９との反応は酸化還元反応であってもよい。これらの実施形態においては、反応生成物５１は酸化還元反応種を含む。
【００６６】
本明細書で使用する場合、また当技術分野においては、「酸化還元反応種」とは酸化性物質または還元性物質のいずれかとして酸化還元反応または還元−酸化反応に関与でき、かつ他の物質の１つ以上の原子の酸化数を変更することが可能な部分または化合物を指す。この表現は、本明細書全体を通して、酸化性物質および還元性物質の両方を指すように使用される。
【００６７】
本明細書全体を通して、本発明の任意の態様に関して本明細書に記載の実施形態の任意の１つにおいて、「酸化剤／酸化性試薬（oxidizing/oxidative agent）」または「酸化／酸化性部分（oxidizing/oxidative moiety）」または「酸化／酸化性種（oxidizing/oxidative species）」と称されることもある「酸化性物質（oxidizer）」は、他の物質の１つ以上の原子の酸化数を増大させることが可能な部分、種または化合物を示す。一般に、そのような変更は、他の物質からのプロトンを酸化部分または酸化性化合物に転換することを含む。
【００６８】
本明細書に記載の検知システムを使用して検出されるのに好適な例示的な酸化性物質としては、活性酸素種（ＲＯＳ）、または活性酸素種により生成される化合物が挙げられるが、これらに限定されない。
【００６９】
本明細書全体で使用されるとき、活性酸素種は、酸素原子がフリーラジカル型である（不対電子を有する）酸素含有分子および／またはイオン、あるいは酸素フリーラジカルまたは一重項状態の酸素を１つ以上用いる化合物種を容易に生成する分子および／またはイオンを含む。例としては、これらに限定されるものではないが、オゾン、過酸化物、ＲＯ・、およびＲＯＯ・（式中、Ｒは、有機部分または水素である）が挙げられる。水または任意の他のプロトン性溶媒の存在下、ＲＯＳは一般に過酸化水素を生成する。したがって、過酸化水素または任意の他の過酸化物は、本発明のいくつかの実施形態における例示的な酸化性物質である。
【００７０】
本明細書全体を通して、本発明の任意の態様に関して本明細書に記載の実施形態の任意の１つにおいて、「還元剤／還元性試薬（reducing/reductive agent）」または「還元／還元性部分（reducing/reductive moiety）」または「還元／還元性種（reducing/reductive species）」と称されることもある「還元性物質（reductant）」は、他の物質の酸化数を低下させることが可能な部分、化学種または化合物を意味する。典型的には、そのような変更は、還元剤からプロトンを他の物質へ転換することを含む。
【００７１】
好適な還元剤は、例えば１つ以上のプロトンを放出した時に安定なアニオンを形成する部分または化合物種を含む。そのような例示的な成分としては、例えば、１つ以上のプロトンの放出後に安定なエノラートアニオンを形成するヒドロキシル基含有成分が挙げられる。アミン−オキシド基を含む化合物または部分も、本明細書に例として挙げられる。Ｎ−アルキル−またはＮ，Ｎ−ジアルキル−ヒドロキシルアミン（例えばＤＭＨＡ）は、代表例として挙げられる。任意の他の既知の還元剤も考えられる。
【００７２】
本発明のいくつかの実施形態によれば官能性部分４９は酸化還元反応部分である。
【００７３】
好ましくは、官能性部分は、還元状態から酸化状態、およびその逆に容易に転換できるものである、即ち、低いエネルギー障壁でその原子の酸化数が変化することを特徴とするようなものである。官能性部分は１つ以上の原子の酸化数が可逆的に変化する、即ち、可逆的酸化還元変化または転換を特徴とするようなものとみなすことができる。部分または基の可逆的酸化還元変化は、例えばサイクリック・ボルタンメトリー測定によって決定することができる。
【００７４】
例示的な官能性部分は、約−１．０〜約１．０ボルト、または−０．８〜０．８ボルト、または−０．６〜０．６ボルト、または−０．５〜０．５ボルト、または−０．４〜０，４ボルト、または−０．３〜０．３ボルトまたは−０．２〜０．２ボルト、または−０．１〜０．１ボルトの範囲、およびより低い電位、およびそれらの間の任意の値の酸化還元電位を特徴とするものである。
【００７５】
官能性部分４９は、本明細書に記載の可逆的酸化還元変化をすることが可能な少なくとも１つの官能基を含んでもよい。
【００７６】
官能性部分４９に関して本明細書に記載の任意の実施形態のいくつかにおいて、官能性部分の長さは、２ｎｍ未満、１．５ｎｍ未満、さらには１ｎｍ未満である。これにより、電荷移動錯体の形成がナノ構造体の表面付近で生じ、それにより装置の感度を向上させることが可能となる。
【００７７】
本明細書に記載の任意の実施形態のいくつかにおいて、官能性部分４９は、少なくとも１００ｎｍ、少なくとも５００ｎｍ、少なくとも８００ｎｍ、さらには１マイクロメートル以上のデバイ長を有するように選択される。
【００７８】
本明細書で使用する場合、また当技術分野においては、「デバイ長」とは、その全体に亘って有意な電荷分離が生じ得る距離を示す。
【００７９】
例示的な官能性部分は、当技術分野にて周知のケト−エノール互変異性化を経ることが可能な少なくとも１つの官能基を含む。
【００８０】
ケト−エノール酸化還元反応を経ることが可能な１つ以上の官能基を含む部分としては、例えばキノン部分が挙げられ、以下のスキーム１により集合的に表すことができる。
【００８１】
【化１】
2019526332.tif 000003
【００８２】
式中、Ｒ１〜Ｒ４は、それぞれ独立して、水素、アルキル、アリール、シクロアルキル、ハロ、トリハロアルキル、アルコキシ、カルボキシ、および本明細書に記載の任意の他の化学的な適合性を有する置換基からなる群から選択される、あるいは、Ｒ１とＲ２および／またはＲ３とＲ４は共に置換または非置換であってもよい炭素環を形成する。
【００８３】
炭素環は、５員または６員の芳香族環または脂環式環を包含する。本明細書に定義される複素環および複素芳香族環もでもよい。
【００８４】
Ｒ１とＲ２およびＲ３とＲ４の一方または両方は置換または非置換であってもよい芳香族環（複素芳香族環を含む）を共に形成することが好ましい。そのような部分は、本明細書では芳香族キノンと称され、例えば、本明細書に記載のような、それぞれ置換または非置換のベンゾキノン、アントラキノン、フェナントレンキノンを含む。
【００８５】
上記のスキーム１において、左の部分（Ａ）は、還元状態の（酸化数の減少した）原子を特徴とし、右の部分（Ｂ）は、酸化数の増加した原子を特徴とし、２つの状態間の転換は、プロトン移動により達成される。本明細書ではこれを酸化還元変化または酸化還元転換と称する。
【００８６】
酸化還元反応種の検出のために、スキーム１の左の部分は、ナノ構造体表面上の官能性部分の生成に使用される。そのような部分は、酸化剤の存在下で電子非局在化およびプロトン損失を経て、スキーム１の右の部分Ｂを生成する。
【００８７】
還元種の検出のために、右の部分を使用する。
【００８８】
本明細書に記載の官能性部分４９に含まれ得るさらなる例示的な官能基としては、下記のスキーム２〜４に示すＮＡＤＨおよびその類似体、スキーム５に示すＦＡＤＨ２およびその類似体、スキーム６に示すフェロセンならびにその類似体、誘導体および金属錯体、ポルフィリンを生成させる有機金属錯体、フェロシアニドおよびその類似体が挙げられるが、これらに限定されない。
【００８９】
【化２】
2019526332.tif 000004
【００９０】
式中、ＲおよびＲ１〜Ｒ４は、それぞれ独立して、水素、アルキル、アリール、シクロアルキル、ハロ、トリハロアルキル、アルコキシ、カルボキシ、および本明細書に記載の任意の他の化学的な適合性を有する置換基からなる群から選択される、あるいは、Ｒ１とＲ２および／もしくはＲ３とＲ４は共に本明細書に定義される置換または非置換であってもよい炭素環を共に形成する。
【００９１】
例示的なそれらの官能性部分を、下記のスキーム４〜６に示す。
【００９２】
【化３】
2019526332.tif 000005
【００９３】
式中、Ｒ１〜Ｒ６は、それぞれ独立して、水素、アルキル、アリール、シクロアルキル、ハロ、トリハロアルキル、アルコキシ、カルボキシ、および本明細書に記載の任意の他の化学的な適合性を有する置換基からなる群から選択される、あるいは、Ｒ２〜Ｒ６の２つ以上は本明細書に定義される置換または非置換であってもよい炭素環を共に形成する。
【００９４】
【化４】
2019526332.tif 000006
【００９５】
式中、Ｒ１〜Ｒ４は、それぞれ独立して、水素、アルキル、アリール、シクロアルキル、ハロ、トリハロアルキル、アルコキシ、カルボキシ、および本明細書に記載の任意の他の化学的に適合性を有する置換基からなる群から選択される、あるいは、Ｒ１〜Ｒ４の２つ以上は、本明細書に定義される置換または非置換であってもよい炭素環を共に形成し；
Ｘは、水素、または、好ましくは金属原子もしくはイオンであり、追加の１つ以上の同じまたは異なってもよいフェロセン部分でさらに置換されていてもよい。なお、複数のフェロセン部分が存在する場合、酸化還元反応でフェロセン部分の数に対応する電子移動が行われる。
【００９６】
例示的であるが、限定されることのないポルフィリンを生成する有機金属錯体としては、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、亜鉛（Ｚｎ）および銅（Ｃｕ）等の遷移金属と錯化したポルフィリン、テトラメチルピリジルポルフィリン［５，１０，１５，２０−テトラキス（１−メチル−４−ピリジニオ）−ポルフィン］（ＴＭＰｙＰ）；テトラヒドロキシフェニルポルフィリン［５，１０，１５，２０−テトラキス（４−ヒドロキシフェニル）−２１Ｈ，２３Ｈ−ポルフィン］（ＴＰ（ＯＨ）Ｐ）；テトラフェニルポルフィリン［５，１０，１５，２０−テトラフェニル−２１Ｈ，２３Ｈ−ポルフィン］（ＴＰＰ）；４，４’，４”，４”’−（ポルフィン−５，１０，１５，２０−テトライル）テトラキス（ベンゼンスルホン酸）（ＴＢＳＰ）；ヘマトポルフィリン；プロトポルフィリンＩＸ、クロロフィル、ヘムおよびコリンが挙げられる。他の金属とポルフィリンを生成するリガンドおよび任意のそれらの組合せも考えられる。
【００９７】
酸化還元反応種を検出するための検知システムに関して本明細書に記載する任意の実施形態のいくつかによれば、酸化還元反応種は酸化性物質であり、官能性部分は、その還元状態にある。したがって酸化性物質との接触によって酸化されることによって、ナノ構造体の電気特性の変化を生じる。
【００９８】
いくつかの実施形態において、官能性部分が酸化性物質によって酸化された際、ナノ構造体表面上の電子密度が低下する。官能性部分が還元された際、ナノ構造体表面上の電子密度が増大する。
【００９９】
本明細書に記載の任意の実施形態のいくつかにおいては、官能性部分４９は、直接またはリンカーを介して、官能性部分内の反応性基と、ナノ構造体４０の表面上の適合性を有する反応性基との間に形成される共有結合を用いて、表面に共有結合される。
【０１００】
ナノ構造体の表面上の反応性基は、ナノ構造体表面に固有のもの、または好適な処理によって生成されたものでもよい。ナノ構造体がシリコンナノワイヤまたはシリコンナノチューブであるいくつかの実施形態においては、所望により、そして好ましくは、ナノ構造体の表面上に遊離ヒドロキシル基がもともと存在し、これらは、官能性部分を取り付けるために利用することができる。
【０１０１】
あるいは、本明細書に記載のナノ構造体は、表面反応性基を生成するように最初に表面修飾される。そのような表面修飾は、例えば、ナノ構造体表面上の固有の官能基に二官能性リンカー分子を取り付けることにより行われてもよく、その二官能性リンカー分子は、これら固有の官能基と結合を形成可能な反応性基を一端に含み、本明細書に記載の官能性部分またはその中の反応性基と結合を形成できる反応性基を他端に含む。
【０１０２】
本明細書に記載の任意の実施形態のいくつかにおいて、官能性部分は、ナノ構造体に取り付けられる前に、ナノ構造体表面上の反応性基と容易に反応しうる反応性基を含む。これは、本明細書に記載のナノ構造体表面と共有結合を形成するためである。
【０１０３】
所望のナノ構造体上の官能基に対して適合性を有する反応性基の選択は、特に本明細書に提供されるガイドラインを考慮すれば当業者であればだれでもなしうる。
【０１０４】
いくつかの実施形態において、ナノ構造体がケイ素ナノワイヤまたはケイ素ナノチューブの場合、官能性部分は、ナノ構造体表面上の遊離ヒドロキシ基と共有結合を形成可能な反応性基を含む。例示的なそのような反応性基としては、脱離基として作用してエーテル結合を形成可能なハロゲン化物およびアルコキシド、エステル化またはエステル交換を介してエステル結合を形成可能なカルボン酸またはエステル、ならびに−Ｓｉ−Ｏ−結合を形成可能なハロシランおよびオルトシリケートが挙げられるが、これらに限定されない。
【０１０５】
本発明のいくつかの実施形態によれば、官能性部分は、本明細書に記載の結合の任意の１つを介してナノ構造体に結合される。
【０１０６】
いくつかの実施形態において、官能性部分は、本明細書に記載のように二官能性リンカーを介してナノ構造体に取り付けられる。
【０１０７】
例示的なそのようなリンカーは、ケイ素ナノ構造体表面に固有のヒドロキシル基と−Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を形成するためのＳｉに結合された１つ、２つまたは３つの−ＯＲ基と、本明細書に記載の官能性部分の反応性基と反応することが可能な反応性基を末端とする１つ、２つまたは３つの炭化水素基（例えばアルキル、アルキレン、シクロアルキル、アリール）とを含み、Ｓｉ原子に結合した基の総数が４となるようなオルトシリケートから誘導されたものである。
【０１０８】
例示的な実施形態においては、リンカーは、Ｓｉ原子に結合したアミノアルキル基、１つ以上のアルキル基、および１つ以上のアルコキシ基を含むオルトシリケートである。一例において、リンカーは、（３−アミノアルキル）−オルトシリケートジメチル−エトキシシラン（ＡＰＤＭＥＳ）から誘導されたものである。そのようなリンカーは、ナノ構造体の表面上に反応性アミン基を生成する。他の反応性基を末端とする、例えば本明細書に記載のものと同様のオルトシリケートも考えられる。
【０１０９】
官能性部分は、ナノ構造体表面上の反応性基に対する適合性を有する反応性基を用いて、ナノ構造体に取り付けることができる。本明細書に記載の官能性部分は、所望により、本明細書に記載の酸化還元反応性を特徴とする化合物に由来することが好ましく、この化合物は、直接または間接的に（例えばリンカーを介して）結合した、本明細書に記載の反応性基をさらに含む。
【０１１０】
本明細書のスキーム１、３、５および６に示された化合物に関して、反応性基は、任意の１つ、または本明細書に記載のＲ１〜Ｒ４、またはＲ１〜Ｒ６、またはＲ１とＲ２および／またはＲ３とＲ４から形成された炭素環上の置換基、またはＲ１〜Ｒ４、またはＲ２〜Ｒ６であってもよく、またはそれらの一部を（置換基として）形成してもよい。
【０１１１】
ポルフィリンを生成する錯体の場合、反応性基は、ポルフィリン型配位子の置換基であってもよい。
【０１１２】
例示的な実施形態において、官能性部分は、スルホネート反応性基およびアミン反応性基によって形成されたスルホンアミド結合を介して、ナノ構造体に取り付けられる。
【０１１３】
例示的な実施形態において、官能性部分は、本明細書に記載のキノンであり、好ましくは、スルホネート含有置換基を１つ以上含む芳香族キノンである。例示的な実施形態においては、そのような官能性部分は、スルホンアミド結合を用いて、アミン基を有する修飾ナノワイヤに取り付けられる。
【０１１４】
金属含有錯体である官能性部分は、上述したようにナノ構造体に共有結合することができる。その代わりに、または追加として、ナノ構造体表面に非共有結合的に吸収されてもよい。
【０１１５】
ナノ構造体４０は細長いものが好ましい。
【０１１６】
本明細書で使用する「細長いナノ構造体」は、概して、固体物質で形成されている３次元体を指し、また、その長手方向に沿った任意の地点で、少なくとも１つの断面寸法を有し、いくつかの実施形態においては、１マイクロメートル未満、または５００ナノメートル未満、または２００ナノメートル未満、または１５０ナノメートル未満、または１００ナノメートル未満、またはさらには７０ナノメートル未満、５０ナノメートル未満、２０ナノメートル未満、１０ナノメートル未満、または５ナノメートル未満の２つの直断面寸法を有する。いくつかの実施形態においては、断面寸法は、２ナノメートル未満または１ナノメートル未満であってもよい。
【０１１７】
いくつかの実施形態において、ナノ構造体は、０．５ナノメートル〜２００ナノメートルまたは１ｎｍ〜１００ｎｍ、または１ｎｍ〜５０ｎｍの範囲の少なくとも１つの断面寸法を有する。
【０１１８】
ナノ構造体の長さは、その断面に略直交する、その伸長範囲を表す。本発明のいくつかの実施形態によれば、ナノ構造体の長さは、１０ｎｍ〜５０マイクロメートルの範囲である。
【０１１９】
細長いナノ構造体の断面は、任意の形状を有しており、円形、正方形、矩形、楕円形および管状が挙げられるが、これらに限定されるものではない。規則的な形状および不規則な形状が含まれる。
【０１２０】
本発明の様々な例示的な実施形態において、ナノ構造体は、本明細書で「ナノワイヤ」と称される非空洞構造である。
【０１２１】
「ワイヤ」は伝導性を有する、即ちそれ自体に電荷を通過させる能力を有する任意の材料を指す。
【０１２２】
いくつかの実施形態において、ナノワイヤは、０．５ナノメートル〜２００ナノメートル、または１ｎｍ〜１００ｎｍ、または１ｎｍ〜５０ｎｍの範囲の平均直径を有する。
【０１２３】
本発明のいくつかの実施形態において、ナノ構造体は、中空チューブとして成形されており、中空チューブは、長手方向軸線に沿って完全に中空である、本明細書で「ナノチューブ」または「ナノチューブ構造」と称されるものであることが好ましい。
【０１２４】
ナノチューブは、単層ナノチューブ、多層ナノチューブ、またはそれらの組合せであってもよい。
【０１２５】
いくつかの実施形態において、ナノチューブの平均内径は、０．５ナノメートル〜２００ナノメートル、または１ｎｍ〜１００ｎｍ、または１ｎｍ〜５０ｎｍの範囲である。
【０１２６】
多層ナノチューブの場合、いくつかの実施形態においては、壁間距離は、０．５ナノメートル〜２００ナノメートル、または１ｎｍ〜１００ｎｍ、または１ｎｍ〜５０ｎｍの範囲であってもよい。
【０１２７】
図１Ｃは、１つのナノ構造体４０を示しているが、一部の実施形態は、検知複合体１８が複数（即ち、２つ以上）のナノ構造体を備える構成を想定していることを理解されたい。複数のナノ構造体を用いる場合、場合により、ナノ構造体４０はアレイに配置されることが好ましい。例えば、図１Ｄに概略的に図示するように、ナノ構造体を互いに略平行に配置することができる。
【０１２８】
本明細書に記載のナノ構造体４０を形成するための好適な材料の選択は、本発明の実施形態を有利に実践するために提供されるガイドラインを考慮すれば、当業者に明白かつ容易に再現できるであろう。例えば、本発明の実施形態のナノ構造体４０は、ＩＶ族の元素半導体、ならびに、元素の周期律表のＩＩ族、ＩＩＩ族、ＩＶ族、Ｖ族およびＶＩ族のいずれかから選ばれる２つ以上の元素の様々な組合せから形成されてもよい。
【０１２９】
本明細書で使用する「族」は、当業者が理解するその通常の定義が付与される。例えば、ＩＩＩ族元素は、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、ＩｎおよびＴｌを含み；ＩＶ族元素は、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｎおよびＰｂを含み；Ｖ族元素は、Ｎ、Ｐ、Ａｓ、ＳｂおよびＢｉを含み；ＶＩ族元素は、Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、ＴｅおよびＰｏを含む。
【０１３０】
本発明のいくつかの実施形態において、ナノ構造体は、半導体材料から形成されており、所望により、半導体材料は「ドーパント」として既知のドナー原子でドープされていることが好ましい。本発明の実施形態は、ドーピングして、ｎ型（格子構造の完成に必要とされるよりも過剰の電子）およびｐ型（格子構造の完成に必要とされるよりも不足する電子）の両方のドーピングを達成することを想定している。ｎ型材料中の過剰な電子、またはｐ型材料中に残された正孔（電子の不足）は、それぞれ、負電荷担体および正電荷担体としての役割を果たす。ｐ型ドーパントおよびｎ型ドーパントとして好適なドナー原子は、当技術分野にて既知である。
【０１３１】
例えば、ナノ構造体は、例えばＢ（これらに限定されるものではないが、典型的にはジボランである）、ＧａもしくはＡｌでドープされたケイ素から形成されて、ｐ型半導体ナノ構造体を提供するか、または、Ｐ（これらに限定されるものではないが、典型的にはホスフィンである）、ＡｓもしくはＳｂでドープされたケイ素から形成されて、ｎ型半導体ナノ構造体を提供してもよい。
【０１３２】
本発明者らが行った実験では、Ｓｉナノワイヤと、ジボランドーパントを有するｐ型Ｓｉナノワイヤとを使用した。
【０１３３】
本発明の一部の実施形態においては、ナノ構造体は、導電性材料、例えば、カーボンから形成されるか、またはこれを含む。例えば、ナノ構造体はカーボンナノチューブであってもよい。カーボンナノチューブは、長く巻かれたグラフェンシートとみなし得る単層ナノチューブ（ＳＷＮＴ）であってもよいし、直径の異なる同心円状のＳＷＮＴの集合体とみなし得る多層ナノチューブ（ＭＷＮＴ）であってもよい。ＳＷＮＴの典型的な直径は数ナノメートルのオーダーを下回り、ＭＷＮＴの典型的な直径は数十〜数百ナノメートルのオーダーである。
【０１３４】
複数のナノ構造体を用いる場合、ナノ構造体を、例えば化学蒸着を用いて成長させることができる。あるいは、レーザー触媒成長（ＬＣＧ）を用いてナノ構造体を形成してもよい。半導体ナノ構造体を形成する、および複数のナノ構造体のアレイを構成する、任意の方法が考えられる。複数のナノ構造体４０を用いる場合、各々のナノ構造体には、親和性部分４８が固定化されている。本発明の一部の実施形態においては、親和性部分がすべてのナノ構造体に亘ってすべて同一であり、一部の実施形態においては、少なくとも２つのナノ構造体に異なる親和性部分が取り付けられる。本発明の一部の実施形態においては、各マイクロニードル１６の中には１種類のみの親和性部分４８が含まれるが、マイクロニードル１６のうちの少なくとも２つは、異なる親和性部分を有するナノ構造体を備える。それぞれの２つ以上のナノ構造体上に２つ以上の親和性部分を使用することは、システム１０が２種以上の標的分子を連続または同時に検知することを可能にするために有利である。
【０１３５】
反応生成物５１と部分４９との反応事象はナノ構造体４０の表面電位を変え、したがって、ナノ構造体４０の電気特性の変化を生じる。例えば、ナノ構造体４０は、ナノ構造体４０のある領域、またはナノ構造体４０の全長に亘って、電子または正孔の密度の変化を示してもよい。密度変化に加えて、あるいはその代わりに、ナノ構造体４０はその伝導率または抵抗率の変化を示してもよい。
【０１３６】
本発明の一部の実施形態に従い、ナノ構造体４０の電気特性の変化を電極の配列によってモニタリングしてもよく、これにより、生成物５１の部分４９との反応を介して、皮膚３０中の生物検体５０の存在、不在またはレベルを間接的にモニタリングすることができる。本発明の一部の実施形態においては、検知複合体１８は、ソース電極４２とドレイン電極４４とを備え、ナノ構造体４０は電極４２と４４との間に配置され、電荷担体チャネルとして働く。検知複合体１８はまた、電極４２および４４ならびにナノ構造体４０と共にトランジスタ、例えば、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を形成する、ゲート電極４６を備えていてもよい。ゲート電極４６は、所望により、しかし必ずしもそうでなくともよいが、ギャップ４７によってナノ構造体４０から隔てられていることが好ましい。ゲート電圧は、ゲート電極４６を介してチャネルナノ構造体４０に印加されてもよい。いくつかの実施形態においては、ゲート電極４６の電圧がゼロの場合、ナノ構造体４０は、いずれの自由電荷担体も含有せず、本質的に絶縁体である。ゲート電圧が増大するにつれ、生じる電場は、ソース電極４２およびドレイン電極４４から電子（またはより一般的には、電荷担体）を引き込み、ナノ構造体４０は伝導性になる。いくつかの実施形態においては、ゲート電圧が印加されず、電荷担体密度の変化は、親和性部分４８と生物検体５０との相互作用のみにより達成される。
【０１３７】
ナノ構造体の電気特性が、親和性部分と生物検体との結合に対応して変動する場合、検出可能な信号が生成され得ることがわかっている。例えば、チャネルの電気特性の変化によってゲート電圧に対してトランジスタの特徴的な応答（例えば、固定されたゲート電圧、または固定されたソース−ドレイン間電圧についての時間の関数としてのソース−ドレイン間電流）が変化し、この変化は検出および分析され得る。
【０１３８】
本発明者らは、ゲート電極に印加されるゲート電圧を、ナノ構造体の表面上の官能性部分が呈する酸化還元変換を逆転させるために使用することができることを見出した。さらに、本発明者らは、ゲート電圧を使用して、ナノ構造体の表面上で酸化することができる部分の量を制御することができることを見出した。よって、本発明の一部の実施形態においては、ナノ構造体の表面上の官能性部分の数をほぼ一定に、所望により、そして好ましくは所定の数に維持するように、ゲート電極に印加されるゲート電圧を選択する。ゲート電圧は一定であることが好ましい。ナノ構造体が酸化剤（例えば、ＲＯＳ、Ｈ２Ｏ２）と接触すると、酸化剤の存在によって官能性部分の数量が減少するので、ゲート電圧によって達成された平衡状態が変化する。この減少により、ナノ構造体の電気特性（例えば、伝導率）が変化する。
【０１３９】
検知複合体１８の電極は、所望により、導電体５２によって直接または間接的に回路２０に接続されていることが好ましい。限定とみなされるべきではないが、図１Ａの代表的な図解では、アダプタ回路５４が用いられ、導体５２がアダプタ回路５４に接続され、アダプタ回路５４が回路２０に接続される。回路２０は１つ以上の電極を介してナノ構造体４０に電圧を印加し、生物検体５０の親和性部分４８への結合に対応したナノ構造体４０の電気特性の変化をモニタリングする。回路２０は、例えば、ナノ構造体４０の電気特性の変化に対応する電気的な量を測定するように構成されてもよい。電気的な量は、例えば電圧、電流、伝導率、抵抗、インピーダンス、インダクタンス、電荷等であってもよい。回路２０は、典型的には電源と電圧計または電流計を具備する。一部の実施形態においては、１０，０００ｎＳ未満のコンダクタンス変化を検出することができ、一部の実施形態においては、１，０００ｎＳ未満のコンダクタンス変化を検出することができ、一部の実施形態においては、１００ｎＳ未満のコンダクタンス変化を検出することができ、一部の実施形態においては、１０ｎＳ未満のコンダクタンス変化を検出することができ、一部の実施形態においては、１ｎＳ未満のコンダクタンス変化を検出することができる。
【０１４０】
反応生成物５１と官能性部分４９との反応が酸化還元反応である場合（例えば、反応生成物５１が、本明細書に記載のような酸化還元反応種を含む場合）、回路２０は、所望により、さらに本明細書の上記で詳述したように、酸化還元反応を逆転させるようにゲート電圧を制御する構成とすることが好ましい。
【０１４１】
本発明の一部の実施形態においては、システム１０は、検知マイクロニードル１６と同様に皮膚接触面から外部に向かって突出する、１つ以上の較正マイクロニードル１７を具備する。較正マイクロニードル１７は、所望により、較正ナノ構造体を備える較正複合体２１を内部に有することが好ましい。較正ナノ構造体を具体的には示さないが、全体としてナノ構造体４０と同一であり、同様に官能性部分４８によって修飾されていることが好ましく、上記で詳述したような電極４２、４４および４６等であるが、これらに限定されない電極に操作上取り付けられてもよい。検知複合体１８とは異なり、較正複合体２１は、親和性部分４９を有さないことが好ましい。例えば、検知複合体１８は、いかなる親和性部分も有していなくてもよく、または、生物検体５０以外の物質に対する親和性を有する部分を備えるが、生物検体５０に対して十分に低い親和性（例えば、親和性部分４８の生物検体５０に対する結合親和性の、約１０分の１または約１００分の１または約１０００分の１の結合親和性）を有していてもよく、または、非検知部分を備えていてもよい。
【０１４２】
較正マイクロニードル１７は、所望により、そして好ましくは、システム１０の自己較正のために利用することができる。これらの実施形態においては、回路２０は、所望により、較正ナノ構造体に電圧を印加し、検知マイクロニードル１６であるナノ構造体４０の電気特性の変化から、較正ナノ構造体の電気特性の変化を差し引くことが好ましい。較正複合体２１は生物検体５０に特異的に結合するいかなる部分も有していないため、較正マイクロニードル１７中では生物検体５０に特異的な相互作用は生じない。したがって、較正により検出された信号は、皮膚３０における生理環境のバックグラウンドを表す。
【０１４３】
本発明の一部の実施形態においては、システム１０は、基板１２に取り付けられた、または基板１２と一体化したアクチュエーター６２を有する、薬物送達システム６０と、コントローラ６４とを具備する。限定とみなされるべきではないが、図１Ａの代表的な図解では、アクチュエーター６２が流体接触部５６に取り付けられているかまたは流体接触部５６と一体化しており、コントローラは、マイクロニードル１６に対して基板１２の反対側にある。コントローラ６４は、回路２０から、部分４８と生物検体５０との結合に関する信号を受信し、当該信号に応答して、アクチュエーター６２を作動させることで１つ以上の薬物送達チャネルを介して薬物を送達する。薬物は、所望により、そして好ましくは、検知複合体１８の親和性部分以外の化合物であり、かつ生物検体５０以外の化合物である。チャネル薬物送達は、検知複合体１８と同じマイクロニードル１６内にあってもよく、または、図１Ａに図示されているように、基板１２から外部に向かって突出する追加のマイクロニードル６６内であってもよい。マイクロニードル１６と同様に、マイクロニードル６６もまた、薬物をマイクロニードル６６の外に出すための１つ以上の開口（図示せず）を備える。
【０１４４】
本明細書で使用する「薬物」は、生物に送達されて、所望の、通常は有益な効果をもたらす、任意の治療的、予防的および／もしくは薬学的もしくは薬理学的に有益な活性物質、またはその混合物と定義される。より具体的には、本質的に治療的、診断的、予防的であるかによらず、局所的または全身的な、薬理学的応答をもたらすことが可能な、あらゆる薬物が想定される。薬物は薬理学的に活性であってよく、またはさらなる生体内変化を必要としてもよい。「薬物」という用語は、以下で定義するような「親薬物」と「プロドラッグ」の両方を包含する。送達される薬物の量は、疾病または他の状態を予防、治癒、診断または処置するのに十分な量である。
【０１４５】
本明細書で使用する「親薬物」は、「薬物」と同様の定義であるが、ただし、自身を薬理学的により活性にする生体内変化を受けないものと定義される。
【０１４６】
本明細書で使用する「プロドラッグ」は、親薬物分子の薬理学的により活性の低い誘導体であって、より活性のある親薬物を生物内で放出するために、自発的または酵素的な生体内変化を必要とするものと定義される。プロドラッグは、代謝条件下で切断可能な基を有する、親薬物の変異体または誘導体である。プロドラッグは、生理条件下での加溶媒分解または酵素的分解を受けたときに、インビボで薬学的に活性な親薬物になる。プロドラッグは、生物内で活性な親薬物を放出するのに必要な生体内変化の段数に応じて、シングル、ダブル、トリプル等と呼ばれることがあり、前駆体型の形態で存在する官能基の数を示す。当技術分野において一般に知られているプロドラッグには、例えば、親酸と好適なアルコールとの反応によって調製されたエステル、または親酸化合物と、アミンもしくはアシル化塩基誘導体を形成するために反応させた塩基性基との反応によって調製されたアミド等の、当業者に周知の酸誘導体が含まれる。
【０１４７】
システム６０によって分配された活性物質の量は、チャネルの大きさおよび／または封入効率に応じてピコグラムレベルからミリグラムレベルで変動してもよい。活性物質の非限定的な例としては、セイヨウワサビペルオキシダーゼ、フェノールスルホンフタレイン、ヌクレオチド、核酸（例えば、オリゴヌクレオチド、ポリヌクレオチド、ｓｉＲＮＡ、ｓｈＲＮＡ）、アプタマー、抗体もしくはその部分（例えば、抗体様分子）、ホルモン（例えば、インスリン、テストステロン）、成長因子、酵素（例えば、ペルオキシダーゼ、リパーゼ、アミラーゼ、有機リン酸デヒドロゲナーゼ、リガーゼ、制限エンドヌクレアーゼ、リボヌクレアーゼ、ＲＮＡまたはＤＮＡポリメラーゼ、グルコースオキシダーゼ、ラクターゼ）、細胞（例えば、赤血球、幹細胞）、細菌もしくはウイルス、他のタンパク質またはペプチド、小分子（例えば、色素、アミノ酸、ビタミン、抗酸化剤）、脂質、炭水化物、発色団、発光有機化合物（ルシフェリン、カロテン等）および発光無機化合物（例えば、インドシアニングリーン等の、化学色素および／またはコントラスト増強剤）、ワクチン、抗生物質、抗真菌剤、抗ウイルス剤、治療剤、診断剤または上記のいずれかのプロドラッグ、類似体もしくは組合せ等の、有機材料が挙げられる。
【０１４８】
複数の薬物送達チャネルが存在する場合、システム６０は、２つ以上のそれぞれの薬物送達チャネルから２つ以上の薬物を送達することができる。あるいは、すべての薬物送達チャネルが同一の薬物を送達してもよい。
【０１４９】
所望により、薬物は、直接または流体チャネル（図示せず）を介してマイクロニードル６６と流体連通した、１つ以上の薬物貯蔵部６８に収容され、これにより、薬物が貯蔵部６８からマイクロニードル６６の先端中のマイクロチャネルを通じて皮膚３０の中へと流れることができることが好ましい。貯蔵部６８は、図１Ａに図示されているように、流体接触部５６の一部であってもよい。例えば、貯蔵部６８は、接触部５６と一体化されてモノリシックな流体接触部を形成してもよい。あるいは、貯蔵部６８は、マイクロニードル６６に対して基板１２の反対側にあってもよい。貯蔵部６８は、実質的に剛性であっても容易に変形可能であってもよい。貯蔵部６８は、１つ以上のポリマー、金属、セラミック、またはこれらの組合せから形成されていてもよい。一部の実施形態においては、貯蔵部は１つ以上の壁に囲まれた空間を含むか、または、例えば、材料が圧縮されるまで薬物を保持することが可能な、スポンジ等の多孔質材料を含む。一部の実施形態においては、貯蔵部は、エラストマー系ポリマーまたはゴム等の、弾性材料で形成される。例えば、貯蔵部は、送達される流体薬物組成物が充填されたときに展伸する（張力が掛かる）風船様パウチであってもよい。
【０１５０】
アクチュエーター６２は、薬物送達マイクロニードルを通じて薬液に力を付与することが可能であれば、いかなる種類のマイクロ流体アクチュエーターであってもよい。図１Ａは表現を簡潔とするためにただ１つのアクチュエーターを図示しているが、システム１０は、複数のアクチュエーター、例えば、各マイクロニードルに対して１つのアクチュエーターを具備してもよい。一部の実施形態においては、複数のマイクロニードルを通じて薬液に力を付与するために、同一のアクチュエーターを用いてもよい。アクチュエーター６２は、機械的アクチュエーターであってもよく、または非機械的であってもよい。アクチュエーター６２が機械的マイクロ流体アクチュエーターである場合、これは、薬物送達チャネルを通じて一定体積の薬物を加圧する可動面、例えば、ダイアフラムを備えてもよい。アクチュエーター６２が非機械的マイクロ流体アクチュエーターである場合、電気的、磁気的、光学的、化学的、または電気化学的なエネルギーを用いて、薬物送達チャネルを通じて一定体積の薬物を加圧する。例えば、アクチュエーター６２は、熱または電気化学的な作用を用いて液相を気相に変換する相変化マイクロ流体アクチュエーターであってもよく、相変化に伴う圧力が薬物送達チャネルを通じて薬物に力を付与する。あるいは、アクチュエーター６２は、流体−固体境界における電気二重層の流体相中の移動性イオンに体積力を用いることで、薬物送達チャネルを通じて薬物を加圧する、電気浸透マイクロ流体アクチュエーターであってもよい。
【０１５１】
コントローラ６４は、所望により、データプロセッサ（図示せず）を含む、またはデータプロセッサとつながっており、データプロセッサは、好ましくは専用回路である。コントローラ６４は、回路２０から受信した信号に基づき、かつ所定の薬物送達プロトコルに従って、アクチュエーター６２を自動的に操作することが好ましい。コントローラ６４および回路２０は、所望により、生物検体５０のレベルを検知するためにも、アクチュエーター６２を操作して薬物を送達するためにも、ユーザ入力を必要としない、閉ループシステムを形成することが好ましい。例えば、コントローラ６４は、生物検体５０のレベルが所定の閾値を下回るおよび／または上回る度に、薬物を送達するように構成されていてもよい。閾値は汎用であってもよく、または被験体に特有であることがより好ましく、この場合、閾値は調整可能である。例えば、コントローラ６４にはデータコネクタ７０が設けられていてもよく、これにより、閾値または他の種類のデータをコントローラ６４の内部および／または外部へと伝達することができる。
【０１５２】
一部の実施形態においては、コントローラ６４は、回路２０から受信した信号に基づいて、被験体の血中の物質のレベルを推測することができる。これは、例えば生物検体５０がグルコース分子である場合に特に有用である。間質液中のグルコースレベルは血糖値より時間的に遅延することがわかっており（典型的には約５分の遅れ）、この遅延が、グルコースレベルが急変するときには問題となる場合がある。本実施形態においては、検知複合体１８によって測定された皮下グルコースレベルに基づいて、コントローラ６４がそのデータ処理能力によって推定血糖値を決定する。例えば、検知複合体１８によって検知されたグルコースレベルにアルゴリズムを適用することで、被験体の血糖値を得ることができる。アルゴリズムは、検知された間質液中グルコースレベルをグルコースの濃度またはレベルに変換し、間質液中レベルと血糖値とのタイムラグを調整してもよい。コントローラ６４は、計算された血糖値およびタイムラグに基づいてアクチュエーター６２を操作することで、被験体の血糖値が確実に所定の血糖値範囲内となるようにしてもよい。
【０１５３】
本発明の一部の実施形態においては、システム１０は、回路２０および／またはコントローラ６４を封入する保護コーティング７２を具備する。保護コーティング７２は、例えば耐水コーティングなどであってもよい。
【０１５４】
本願に基づく特許の権利存続期間中には、多数の関連したナノ構造体、親和性部分およびその製造方法が開発されることが想定され、これら用語の範囲には、先天的に、そのような新しい技術のすべてが含まれることを意図している。
【０１５５】
本明細書で使用する「約」は、±１０％を指す。
【０１５６】
「具備する（comprise）」、「具備している（comprising）」、「含む（include）」「含んでいる（including）」、「有している（having）」およびそれらの活用形は、「含むが、限定されない」ことを意味する。
【０１５７】
「からなる」は、「含み、限定される」ことを意味する。
【０１５８】
「から本質的になる」は、組成物、方法または構造が追加の成分、工程および／または部分を含み得ると定義する。しかし、追加の成分、工程および／または部分は、特許請求される組成物、方法または構造の基本的かつ新規な特性を実質的に変更しない場合に限られる。
【０１５９】
本明細書で使用する単数形「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、文脈が明らかに他を指示しない限り、複数を対象とする。例えば、「化合物（a compound）」または「少なくとも１種の化合物」には、複数の化合物が含まれ、それらの混合物をも含み得る。
【０１６０】
本願全体を通して、本発明の様々な実施形態は、範囲形式にて示され得る。範囲形式での記載は、単に利便性および簡潔さのためであり、本発明の範囲の柔軟性を欠く制限でではないことを理解されたい。したがって、範囲の記載は、可能な下位の範囲の全部、およびその範囲内の個々の数値を特異的に開示していると考えるべきである。例えば、１〜６等の範囲の記載は、１〜３、１〜４、１〜５、２〜４、２〜６、３〜６等の部分範囲のみならず、その範囲内の個々の数値、例えば１、２、３、４、５および６も特異的に開示するものとする。これは、範囲の大きさに関わらず適用される。
【０１６１】
本明細書に数値範囲が示される場合、それは常に示される範囲内の任意の引用数（分数または整数）を含むことを意図する。第１の指示数と第２の指示数「との範囲」という表現と、第１の指示数「から」第２の指示数「までの範囲」という表現は、本明細書で代替可能に使用され、第１の指示数および第２の指示数と、それらの間の分数および整数の全部を含むことを意図する。
【０１６２】
本明細書で使用する「方法」は、所定の課題を達成するための様式、手段、技術および手順を意味し、化学、薬理学、生物学、生化学および医療の各分野の従事者に既知のもの、または既知の様式、手段、技術および手順から従事者が容易に開発できるものが含まれるが、これらに限定されない。
【０１６３】
本明細書で使用する「治療する」とは、状態の進行の抑止、実質的な阻害、遅延、もしくは逆転、状態の臨床的もしくは審美的症状の実質的な寛解、または状態の臨床的もしくは審美的症状の悪化の実質的な予防を含む。
【０１６４】
明確さのために別個の実施形態に関連して記載した本発明の所定の特徴はまた、１つの実施形態において、これら特徴を組み合わせて提供され得ることを理解されたい。逆に、簡潔さのために１つの実施形態に関連して記載した本発明の複数の特徴はまた、別々に、または任意の好適な部分的な組合せ、または適当な他の記載された実施形態に対しても提供され得る。様々な実施形態に関連して記載される所定の特徴は、その要素なしでは特定の実施形態が動作不能でない限り、その実施形態の必須要件であると捉えてはならない。
【０１６５】
上述したように本明細書に記載され、特許請求の範囲に請求される本発明の様々な実施形態および態様は、以下の実施例によって支持されるものである。
【実施例】
【０１６６】
ここで、上記の記載と共に本発明を限定することなく説明する以下の実施例に参照する。
【０１６７】
実施例１
実験
材料および方法
各々の直径が約２０ｎｍであるシリコンナノワイヤ（ＳｉＮＷ）ＦＥＴのアレイを、フォトリソグラフィーにより作製した。シリコン基板上にＳｉＮＷを堆積させた後、ＦＥＴのソース電極およびドレイン電極を、ＬＯＲ５Ａ（Ｍｉｃｒｏｃｈｅｍ社製）およびＳ１８０５（Ｓｈｉｐｌｅｙ社製）からなる多層フォトレジスト構造により作製した。ＦＥＴのソース電極とドレイン電極との間隙は、２μｍであった。フォトレジストの曝露および現像後、パターンをＴｉ／Ｐｄ／Ｔｉ（それぞれ、５／６０／１０ｎｍ）の電子ビーム蒸着により金属化した。その後、８０℃でのプラズマ増強化学蒸着（ＩＣＰ−ＰＥＣＶＤ、Ａｘｉｃ  Ｉｎｃ．社製）により、蒸着したＳｉ３Ｎ４の６０ｎｍの層と、原子層堆積（ＡＬＤ）により作製した２０ｎｍのアルミナ層（Ｓａｖａｎｎａｈ  ２００システム、Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ  Ｎａｎｏｔｅｃｈ社製）とにより電極を絶縁した。
【０１６８】
ＳｉＮＷ−ＦＥＴアレイの作製後、代謝産物を検知するために、可逆的酸化還元系を固定化することにより、アレイのシリコンナノワイヤを化学的に修飾した。９，１０−ジヒドロキシアントラセン／９，１０−アントラキノン可逆的酸化還元反応系を、ＳｉＮＷ−ＦＥＴアレイ上の検知部分として選択した。これは、Ｈ２Ｏ２および反応性酸素種等の代謝産物の存在下では、９，１０−アントラキノンへの変換により、９，１０−ジヒドロキシアントラセンの酸化が迅速に行われるためである。一方、水溶液中の９，１０−アントラキノンは、Ｎ，Ｎ−ジエチルヒドロキシルアミン等の還元性物質の存在下で、または電位を印加することにより、９，１０−ジヒドロキシアントラセンに可逆的に還元することができる。
【０１６９】
したがって、この修飾により、オキシダーゼ酵素（例えば、グルコースオキシダーゼ）の存在下、ナノワイヤの表面上または表面近くで、Ｈ２Ｏ２を生成する酵素反応によって生じる（グルコースのような）様々な代謝産物の検出を行うことが可能となる。
【０１７０】
模擬間質液を調製した。この流体は、約２５％の血清と、約７５％のリン酸緩衝生理食塩水（ＰＢＳ）と、様々な量のグルコースとを含んでいた。
【０１７１】
本実施例の修飾ＦＥＴを模擬間質液を収容するチャネル中に置いた。この流体は、約２５％の血清と、約７５％のＰＢＳと、連続的に変化する量のグルコースとを含んでいた。データ収集システムを使用して、ＦＥＴと模擬間質液との相互作用中に誘導されたドレイン−ソース間電流（ＩＤＳ）を測定した。ドレインとソースとの間に印加された電圧（ＶＳＤ）は０．３Ｖであり、ゲートに印加された電圧（Ｖｇ）は−０．５Ｖであった。時間に対する電流の信号を１秒間隔で記録した。測定の最初に、１０ｍＭグルコースを５ｍＭまで連続的に希釈しながらデバイスに導入した（５μｌ／分の流量で）。３５００秒経ったら濃度を再び１０ｍＭグルコースに上昇させ、デバイスに導入した（３μｌ／分の流量で）。
【０１７２】
結果
図２は、本実施例のＦＥＴによるグルコースの連続モニタリングの結果を示す。測定されたｎＡ単位によるソース−ドレイン間電流を時間の関数として示す。図２では、チャネル中のグルコース濃度が１０ｍＭおよび５ｍＭとなる時点、ならびに新しい流体を導入した時点（「管類の変更（tubing change）」）に矢印を付してある。
【０１７３】
ここに示される通り、本実施例のＦＥＴは、ドレイン−ソース間電流とグルコース濃度とを、グルコース５ｍＭ当たり約１５ｎＡの変化で成功裏に相関付けることができる。
【０１７４】
実施例２
ヒドロゲルを有する検知素子
本発明の一部の実施形態によれば、親和性部分４８はヒドロゲルによって固定化されている。
【０１７５】
これらの実施形態のいくつかにおいて、本明細書に記載するシステムは、本明細書に記載する親和性部分と会合したヒドロゲルをさらに具備する。
【０１７６】
「〜と会合する」とは、ヒドロゲルと親和性部分とが少なくとも物理的相互作用下にあり、これにより、親和性部分がヒドロゲルの中および／または表面に組み込まれていることを意味する。親和性部分はヒドロゲルの表面に吸収されていてもよく、または、好ましくは、親和性部分はヒドロゲルに閉じ込められている（含浸されている）。
【０１７７】
本明細書および当技術分野において、「ヒドロゲル」という用語は、少なくとも２０％、典型的には少なくとも５０％、または少なくとも８０％、および最大で約９９．９９（質量）％の水を含有する、３次元繊維状網目構造を示す。ヒドロゲルは、その大部分が水であるにもかかわらず、液体分散媒中の天然ポリマー鎖および／または合成ポリマー鎖で構成された３次元架橋固体様網目構造によって、固体または半固体のように振る舞う材料とみなすことができる。本発明の一部の実施形態によれば、ヒドロゲルは、それを調製するために用いた前駆体に応じて、さまざまな長さおよび化学組成のポリマー鎖を含有していてもよい。ポリマー鎖は、化学結合（共有結合、水素結合およびイオン／錯／金属結合、典型的には共有結合）によって相互に接続された（架橋した）モノマー、オリゴマー、ブロックポリマー単位から構成されていてもよい。網目構造を構成する材料は、セグメント間に相互接続（架橋）を有する細長く延びた構造を形成する、小型の凝集性の分子、粒子、またはポリマーのいずれかを含む。架橋は、共有結合、配位相互作用、静電気相互作用、疎水性相互作用、もしくは双極子−双極子相互作用または網目構造セグメント間の鎖の絡み合いの形態であり得る。本実施形態との関連では、ポリマー鎖は事実上、親水性であることが好ましい。
【０１７８】
ヒドロゲルは、本発明の実施形態によれば、生物由来であってもよく、合成によって調製してもよい。
【０１７９】
本発明の一部の実施形態によれば、ヒドロゲルは生体適合性であり、生物学的部分がそこに含浸または蓄積されたときに、生物学的部分の活性が維持される、即ち、生物学的部分の活性の変化が、生理学的媒体中での生物学的部分の活性と比較して、３０％以下、または２０％以下、または１０％以下となるようなものである。生物学的部分は、親和性部分４８または生物検体５０でもよい。
【０１８０】
本実施形態に係るヒドロゲル１０６を形成するために使用可能な例示的なポリマーまたは共重合体としては、ポリアクリレート、ポリメタクリレート、ポリアクリルアミド、ポリメタクリルアミド、ポリビニルピロリドン、および上記のいずれかの共重合体が挙げられる。他の例としては、架橋基によって官能化された、または適合する架橋剤と組み合わせて使用可能な、ポリエーテル、ポリウレタン、およびポリ（エチレングリコール）が挙げられる。
【０１８１】
いくつかの非限定的な具体例としては、ポリ（２−ビニルピリジン）、ポリ（アクリル酸）、ポリ（メタクリル酸）、ポリ（Ｎ−イソプロピルアクリルアミド）、ポリ（Ｎ，Ｎ’−メチレンビスアクリルアミド）、ポリ（Ｎ−（Ｎ−プロピル）アクリルアミド）、ポリ（メタクリル酸）、ポリ（２−ヒドロキシアクリルアミド）、ポリ（エチレングリコール）アクリレート、ポリ（エチレングリコール）メタクリレート、およびデキストラン、アルギネート、アガロースなどの多糖、ならびに上記のいずれかの共重合体が挙げられる。
【０１８２】
このようなポリマー鎖を形成するヒドロゲル前駆体は想定され、そこにはそれらの任意の組み合わせが含まれる。
【０１８３】
ヒドロゲルは、典型的には、二官能性、三官能性、または多官能性のモノマー、オリゴマー、もしくはポリマーから形成されるか、またはこれらの存在下で形成される。これらはヒドロゲル前駆体またはヒドロゲル形成剤と総称され、２つ、３つまたはより多くの重合性基を有する。複数の重合性基の存在によってこのような前駆体は架橋性となり、３次元網目構造の形成が可能となる。
【０１８４】
例示的な架橋性モノマーとしては、これらに限定されるものではないが、２つまたは３つの重合性官能基を有し、そのうちの１つが架橋性官能基となるものである、ジアクリレートモノマーおよびトリアクリレートモノマーのファミリーが挙げられる。例示的なジアクリレートモノマーとしては、これらに限定されるものではないが、メチレンジアクリレート、およびポリ（エチレングリコール）ｎジメタクリレート（ｎＥＧＤＭＡ）のファミリーが挙げられる。例示的なトリアクリレートモノマーとしては、これらに限定されるものではないが、トリメチロールプロパントリアクリレート、ペンタエリスリトールトリアクリレート、トリス（２−ヒドロキシエチル）イソシアヌレートトリアクリレート、イソシアヌル酸トリス（２−アクリロイルオキシエチル）エステル、エトキシ化トリメチロールプロパントリアクリレート、ペンタエリスリチルトリアクリレート、およびグリセロールトリアクリレート、ホスフィニリジントリス（オキシエチレン）トリアクリレートが挙げられる。
【０１８５】
ヒドロゲルは、軟質、脆性、および易破壊性の材料から、硬質、弾性、および靱性の材料に及ぶ物理形態をとることができる。軟質ヒドロゲルは、弾性および粘弾性パラメータを含むレオロジーパラメータによって特徴付けることができ、一方で硬質ヒドロゲルは、引張強度パラメータ、弾性率、貯蔵弾性率、および損失弾性率によって好適に特徴付けられる。なお、これらの用語は当業者に知られている。
【０１８６】
ヒドロゲルの軟らかさ／硬さは、とりわけ、ポリマー鎖の化学組成、「架橋度」（鎖間を互いに接続する連結の数）、水性媒体の含有量および組成、ならびに温度によって支配される。
【０１８７】
ヒドロゲルは、本発明の一部の実施形態によれば、巨大分子のポリマー状成分および／または繊維状成分を含有してもよく、これら成分は主架橋網目構造には化学的に接続されていないが、それらと機械的に絡み合っている、および／または埋没している。このような巨大分子の繊維状成分は、（例えば、メッシュ構造に）織られていてもよいし、または織られていなくてもよく、一部の実施形態では、ヒドロゲルの繊維状網目構造の強化材料として働くことができる。このような巨大分子の非限定的な例としては、ポリカプロラクトン、ゼラチン、ゼラチンメタクリレート、アルギネート、アルギネートメタクリレート、キトサン、キトサンメタクリレート、グリコールキトサン、グリコールキトサンメタクリレート、ヒアルロン酸（ＨＡ）、ＨＡメタクリレート、および他の架橋されていない天然ポリマー鎖または合成ポリマー鎖などが挙げられる。本発明の任意の実施形態のいくつかによれば、このような架橋されていない添加剤の量は少なく、典型的には、ヒドロゲル形成前駆体溶液１ｍｌ当たり、１００ｍｇを超えることはない。
【０１８８】
一部の実施形態では、ヒドロゲルは多孔質であり、一部の実施形態では、ヒドロゲル中の細孔の少なくとも一部は、ナノスケール範囲の平均体積を有するナノ細孔である。多孔質ヒドロゲルは、生物検体および／または反応生成物の内外への拡散を可能にする。
【０１８９】
ヒドロゲルは、例えば、フィルム状であってもよい。あるいは、ナノ粒子の形態であってもよい。他の形態も想定内である。
【０１９０】
親和性部分と会合したヒドロゲルは、ナノ構造体に近接している、例えば、マイクロメートル単位の距離で近接しており、これにより、ヒドロゲル中に存在する生物検体および／または反応生成物がナノ構造体と接触できることが好ましい。
【０１９１】
一部の実施形態においては、ヒドロゲルはナノ構造体と接触している。接触は物理的接触であってもよく、例えば、フィルム状またはナノ粒子状のヒドロゲルは、ナノ構造体の表面と接触する（例えば、吸収される）。接触は化学的接触であってもよく、これにより、ヒドロゲルとナノ構造体の表面上の適合する反応性基との間に直接またはリンカーを介して形成される共有結合によって、ヒドロゲルがナノ構造体の表面に共有結合する。これらの実施形態のいくつかにおいて、ヒドロゲルは、本明細書に記載の官能性部分を特徴とするナノ構造体以外のナノ構造体と接触している。これらの実施形態においては、所望により、ヒドロゲルと接触しているナノ構造体と、官能性部分を特徴とするナノ構造体の両方が、同一のマイクロニードル内にあることが好ましい。
【０１９２】
ナノ構造体の表面上の反応性基は、ナノ構造体表面に固有のもの、または好適な処理によって生成されたものでもよい。ナノ構造体がＳｉＮＷまたはケイ素ナノチューブであるいくつかの実施形態においては、ナノ構造体の表面上に遊離ヒドロキシル基がもともと存在し、官能性部分を取り付けるために使用され得る。
【０１９３】
あるいは、ナノ構造体は、表面反応性基を生成するように最初に表面修飾される。そのような表面修飾は、例えば、ナノ構造体表面に固有の官能基に二官能性リンカー分子を結合させることにより行われてもよく、その二官能性リンカー分子は、これら固有の官能基との結合を形成可能な反応性基を一端に含み、ヒドロゲルに共有結合する反応性基を他端に含む。
【０１９４】
いくつかの実施形態において、ヒドロゲルは、本明細書に記載のように、二官能性リンカーを介してナノ構造体に結合する。
【０１９５】
例示的なそのようなリンカーは、シリルから誘導されたものである。当該シリルは、−Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を形成する、ケイ素ナノ構造体表面に固有のヒドロキシル基とシリルとの相互作用を可能せしめる１つ、２つまたは３つのリビング基と、ヒドロゲルと共有結合可能な反応性基を末端とする１つ、２つまたは３つの炭化水素基（例えばアルキル、アルキレン、シクロアルキル、アリール）とを含む。
【０１９６】
あるいは、リンカーは、１つ、２つまたは３つのＯＲ’基と、１つ、２つまたは３つの炭化水素基（例えばアルキル、アルキレン、シクロアルキル、アリール）とを含む、オルトシリケートから誘導されたものであってもよく、ＯＲ’基はケイ素ナノ構造体表面に固有のヒドロキシル基と相互作用して、−Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を形成し得るものであり、炭化水素基は、ヒドロゲルと共有結合することが可能な反応性基を末端とするものである。
【０１９７】
例示的な実施形態では、反応性基は、リンカー（結合部分）がヒドロゲルの一部を形成することができるような、少なくとも１種のヒドロゲル前駆体の１つ以上の重合性基と化学的に適合する重合性基である。
【０１９８】
例えば、ヒドロゲルがポリアクリレート鎖からできており、本明細書に記載のジアクリレートおよび／またはトリアクリレート前駆体から形成されている場合、好適なリンカーは、少なくとも１種がアクリレート基を末端とする１つ以上の炭化水素鎖を含む、シリルまたはオルトシリケートから誘導されたものである。アクリレート基は、ヒドロゲル前駆体のアクリレート基と重合／架橋して、その結果、ヒドロゲルによるナノ構造体の表面への共有結合を生じる。
【０１９９】
一部の実施形態では、リンカーが炭化水素鎖を含む場合、これはいずれの長さであってもよい。例えば、炭化水素鎖の長さは、炭素原子数が１〜１０６個、または１〜１０３個、または１〜１００個、または１〜５０個、または１〜２０個、または１〜１０個であり得、これら範囲の中の値および部分範囲が含まれる。
【０２００】
例示的な実施形態では、リンカーは、アクリレート基を末端とするアルキルを含むハロシリルアルキル（例えば、トリクロロシリルアルキル）から誘導されたものである。
【０２０１】
例示的な実施形態では、リンカーは、アクリレート基を末端とする、アルキルを含むアルコキシシリルアルキル（例えば、トリアルコキシシリルアルキル）から誘導されたものである。
【０２０２】
これらの実施形態のいくつかでは、アルキルはプロピルである。他のアルキル、例えば、エチル、ブチル、ペンチル、およびヘキシル、ならびにより高級なアルキルも想定される。
【０２０３】
例示的な実施形態においては、本明細書に記載のシステムは、官能性部分によって修飾されたナノ構造体（または複数のナノ構造体）と、親和性部分と会合したヒドロゲルが（本明細書に記載のように、化学的または物理的に）取り付けられたナノ構造体（または複数のナノ構造体）とを含む、検知複合体を具備する。生物検体が代謝産物であり、親和性部分が酸化還元酵素である場合、反応生成物は、代謝産物と酵素との相互作用によって形成され、官能性部分によって修飾されているナノ構造体と接触し、ナノ構造体の電気特性の変化が生じて、検知される。
【０２０４】
以下で、ＧＯｘを組み込んだヒドロゲルをＳｉＮＷに共有結合させて、ナノ構造体に共有結合したヒドロゲルと親和性部分とが会合した検知複合体を形成する、例示的な手順を説明する。ここでは、当該ナノ構造体は、本明細書に記載のような官能性部分によって修飾されたナノ構造体に近接している。
【０２０５】
ＳｉＮＷ−ＦＥＴを、Patolsky et al., Nat Protoc. 2006;1(4):1711-24に従って作製する。６００ｎｍの酸化物層を有する３インチシリコンウエハ上に、フォトリソグラフィーにより、直径２０ｎｍのＰ型シリコンナノワイヤ（ＳｉＮＷ）−ＦＥＴデバイスを作製する。
【０２０６】
簡単には、５００ｎｍのＬＯＲ５Ａ（Ｍｉｃｒｏｃｈｅｍ社製）と５００ｎｍの１８０５（Ｓｈｉｐｌｅｙ社製）とからなる多層フォトレジスト構造体を使用して、ソース電極とドレイン電極とを蒸着させる。電極パターンの露光および現像の後、接点をそれぞれ電子ビームおよびＮｉの熱蒸着（６０ｎｍ）によって金属化し、次いで、８０℃でのプラズマ化学気相蒸着（ＩＣＰ−ＰＥＣＶＤ、Ａｘｉｃ  Ｉｎｃ．社製）によって蒸着させたＳｉ３Ｎ４（厚さ６０ｎｍ）と、１０ｎｍのアルミナの層（Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ  Ｎａｎｏｔｅｃｈ社製のＳａｖａｎｎａｈ  ２００  ｓｙｓｔｅｍを使用したＡＬＤ堆積）とによる絶縁層で不動態化する。各ＦＥＴについて、ソース電極とドレイン電極との間の間隔は、２μｍである。
【０２０７】
この工程を図３Ｂに概略的に図示し、ＳｉＮＷ−ＦＥＴシステムを図３Ａに概略的に図示した。
ＧＯｘ含浸ヒドロゲルを固定化するための、ＳｉＮＷ−ＦＥＴシステムの修飾を、図４
に概略的に図示した。次のこの方法を簡単に説明する。上述したように調製したＳｉＮＷ  ＦＥＴを、酸素プラズマ処理（１５分、１００Ｗ、０．４００Ｔｏｒｒ）で活性化する。次いで、ＳｉＮＷをアルゴン雰囲気下のグローブボックス内で、室温で６０分間、ヘプタンと四塩化炭素の４：１比混合物を用いた３−（トリクロロシリル）プロピルメタクリレート（ＴＰＭ）の１ｍＭ溶液で処理し、その後、Revzin et al., Langmuir, 2001, 17, 5440-5447に記載の手順に従って、ヘキサンおよびイソプロパノールで洗浄する。得られた修飾ＳｉＮＷは、表面アクリレート基を特徴とする。
【０２０８】
ヒドロゲルのＳｉＮＷ表面への結合を、Piao et al., Biosensors and Bioelectronics 65 (2015) 220-225に記載の手順と同様に行う。ポリ（エチレングリコール）ジアクリレート（ＰＥＧ−ＤＡ、ＭＷ５７５）と１重量％の２−ヒドロキシ−２−メチルプロピオフェノン（ＨＭＰＰ）開始剤とを含む原液を調製し、使用まで４℃で保存する。Ｔｒｉｓ緩衝液（ｐＨ７．４）中に６７容量％のＰＥＧ−ＤＡ原液と、３．３３ｍｇ／ｍＬグルコースオキシダーゼ（ＧＯｘ）とを含むヒドロゲル前駆体溶液を調製し、スピンコータ（ＷＳ−４００Ｂ−６ＮＰＰ／ＬＩＴＥ／１０Ｋ、Ｌａｕｒｅｌｌ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社製）を使用したスピンコーティングによって、アクリレート修飾ＳｉＮＷ  ＦＥＴ上に堆積させる。次に、紫外光（３２０〜３８０ｎｍフィルタ）に曝露して、ＳｉＮＷの表面上にＧＯｘ含浸ヒドロゲルフィルムを形成する。残ったヒドロゲル前駆体溶液をリン酸緩衝生理食塩水（１５０ｍＭ、ｐＨ７．４）で洗い流す。
【０２０９】
得られた修飾ＳｉＮＷ  ＦＥＴシステムは、ＳｉＮＷの表面に共有結合し、ＧＯｘを含浸したポリ（エチレングリコール）ジアクリレートヒドロゲルを特徴とする。
【０２１０】
他の親和性部分を含浸させたヒドロゲルは、所望の親和性部分でＧＯｘを置き換えることおよび／または他のヒドロゲル前駆体部分を用いることによって、同様に調製する。
【０２１１】
図５は、Ｑｕａｎｔａ  ２００  ＦＥＧ環境制御型走査電子顕微鏡（５ＫＶ、二次電子像）を用いて撮影した、ＧＯｘ含浸ヒドロゲルフィルムが結合したシリコンナノワイヤ  ＦＥＴシステムのソース電極およびドレイン電極の、走査電子顕微鏡像を示す。挿入図は、Ｐｒｏｆｉｌｏｍｅｔｅｒ  Ｄｅｋｔａｋ（登録商標）  ８  Ｖｅｅｃｏで得た、デバイス上のＧＯｘ含浸ヒドロゲルフィルムに対する表面形状測定データであり、ヒドロゲルの厚さ（シリコンウエハ表面と比較したヒドロゲルの高さ）を表す。
【０２１２】
本発明をその特定の実施形態との関連で記載してきたが、多数の変更、修正および変化が当業者には明らかであろう。したがって、そのような変更、修正および変化のすべては、添付の特許請求の範囲の趣旨および広い範囲内に含まれることを意図するものである。
【０２１３】
本明細書で言及されるすべての刊行物、特許および特許出願は、個々の刊行物、特許および特許出願のそれぞれが具体的および個別に参照により本明細書に組み込まれる場合と同程度に、それらの全体が参照により本明細書に組み込まれる。加えて、本明細書中の任意の参考文献の引用または特定は、それらの参考文献が本発明の先行技術として使用できることの容認として解釈されるべきではない。また、各節の表題が使用される範囲において、必ずしも限定するものとして解釈されるべきではない。
【図１】
2019526332.tif 000007
【図２】
2019526332.tif 000008
【図３Ａ】
2019526332.tif 000009
【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
2019526332.tif 000013
2019526332.tif 000014
2019526332.tif 000015
2019526332.tif 000016
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